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Einrichtung zur'Lichtsteuerung
Es sind bereits Einrichtungen zur Lichtsteuerung vorgeschlagen worden, bei welchen das Brechungs- vermögen eines Mediums an einer Steuerfläche entsprechend den Steuersignalen geändert und hiedurch der
Anteil des von der Steuerfläche reflektierten bzw. hindurchgelassenen Lichtes variiert wird. Hiebei war jedoch die Steuerfläche in ihrer Gesamtausdehnung schräg zur Hauptachse des gesteuerten Lichtes angeordnet, was sich häufig als nachteilig auswirkt.
Gemäss der Erfindung wird nunmehr vorgeschlagen, bei Einrichtungen der eingangs genannten Art die
Steuerfläche in mehrere, zur Richtung des zu steuernden und des gesteuerten Lichtes geneigte Abschnitte zu gliedern, welche wie die Lamellen einer Jalousie angeordnet sind und deren Kanten an einer zur Austrittsrichtung des gesteuerten Lichtes annähernd senkrechten Ebene liegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Abschnitte der Steuerfläche durch die Schrägflächen eines Stufensystems mit im Schnitt sägezahnähnlichem Oberflächenprofil gebildet. Das Stufensystem kann durch eine Platte gebildet sein, welche im Schnitt sägezahnartige, in das sein Brechungsvermögen ändernde Medium ragende Ansätze aufweist und eine Begrenzungswand für dieses Medium bil- det. Das Stufensystem kann auf der Lichteinfal1sseit des Mediums oder auch auf der Lichtaustrittsseite desselben angeordnet sein.
Die erfindungsgemässe Lichtsteuereinrichtung kann so gestaltet sein, dass das zu steuernde Licht auf das Stufensystem annähernd senkrecht in bezug auf dessen Grundplatte-auftrifft und der die Steuerfläche hindurchdringende Lichtanteil die Lichtaustrittsfläche der Lichtsteuereinrichtung erreicht. Statt dessen kann jedoch das zu steuernde Licht auf das Stufensystem in bezug auf dessen Grundplatte auch schräg auftreffen und der an der Steuerfläche reflektierte Lichtanteil die Lichtaustrittsfläche der Lichtsteuereinrichtung erreichen.
Gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann auf der Lichtaustrittsfläche des das Medium und das Stufensystem umfassenden Lichtsteuersystems eine das Licht diffus streuende lichtdurchlässige Schicht angeordnet sein. Besonders zweckmässig ist es, die Grundplatte des Stufensystems als Streuscheibe auszubilden und/oder mit einer Wabenlinse zu versehen.
Vorteilhafterweise kann das Brechungsvermögen des Mediums an der Steuerfläche durch Konzentrationsänderungen, welche durch ein elektrisches Feld hervorgerufen werden, verändert werden. Es ist vorteilhaft, die Elektroden zur Erzeugung der elektrischen Spannung auf den Schrägflächen des Stufensystems anzuordnen, wobei ein Teil der auf den Steuerflächen liegenden Elektroden rasterartig ausgebildet werden kann. Vorzugsweise sind die rasterartig ausgebildeten, auf Schrägflächen des Stufensystems angeordneten Elektroden lichtdurchlässig und auf den ihnen gegenüberliegenden Stufenflächen des Stufensystems lichtabsorbierende Sammelelektroden angeordnet.
Die erfindungsgemässe Lichtsteuereinrichtung kann insbesondere als Fernsehbildwandler Anwendung finden, wobei die Aussteuerung vorzugsweise nach Koordinaten erfolgt und die rasterartigen Elektrodenelemente über eine an sich bekannte elektronische Digitalschaltungsanordnung wechselweise Spannung erhalten.
Die vorgeschlagene Einrichtung zur Lichtsteuerung ist mit dem Vorteil verbunden, dass die Dicke der Schicht, welche das seinen Brechungsindex ändernde Medium enthält, verhältnismässig gering sein kann, u. zw. unabhängig von der Grösse des Querschnittes des zu steuernden Lichtbündels und unabhängig davon, ob das an den Steuerflächen reflektierte oder hindurchgelassene Licht für die Lichtsteuerung ausgenutzt wird. Auf Grund ihrer geringen Tiefenabmessungen hat die erfindungsgemässe Lichtsteuereinrichtung den
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Charakter einer Bildwand und kann deshalb infolge ihres geringen Raumbedarfs ähnlich wie eine Bildwand praktisch überall mühelos angewendet werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung einiger
Ausführungsbeispiele hervor. Diese sind in den Zeichnungen dargestellt, u. zw. zeigen Fig. 1 Teile einer
Ausführungsform der erfindungsgemässen Lichtsteuereinrichtung in perspektivischer Darstellung, Fig. 2 den
Gegenstand der Fig. 1 im Schnitt, Fig. 3 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässenLichtsteuer- einrichtung im Schnitt, Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Lichtsteuereinrich- tung im Schnitt und Fig. 5 ein Schaltschema.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Lichtsteuereinrichtung weist ein aus Glas oder einem andern licht- durchlässiges Material gebildetes, in den Zeichnungen nur teilweise gezeigtes Stufensystem 1 auf, wel- ches aus einer Grundplatte 2 und Ansätzen 3 besteht, die an der Grundplatte 2 zeilenweise angeordnet sind und im Schnitt sägezahnartiges Profil aufweisen. Die Grundplatte 2 und die Ansätze 3 können einstückig ausgebildet werden. Statt dessen können die Ansätze 3 auch getrennt von der Grundplatte gefertigt und nachträglich auf diese aufgesetzt werden.
Die Grundplatte 2 des Stufensystems 1 umschliesst zusammen mit der den Ansätzen 3 gegenüberliegenden lichtdurchlässigen Scheibe 4, den Boden- und Deckelteilen 5, 6 und den Seitenwänden 7,8 das lichtdurchlässige Medium 9, dessen Brechungsindex zumindest in Grenzschichten entsprechend den Lichtsteuersignalen geändert wird.
Die Lichtsteuerung kann vorzugsweise nach dem in der älteren österr. Patentschrift Nr. 218585 beschriebehen Prinzip erfolgen. Demgemäss wird das Medium 9 durch ein flüssiges oder flüssigkeitshaltiges
System gebildet, dessen Konzentration in Grenzschichten unter dem Einfluss eines elektrischen, entspre- chend den Lichtsteuersignalen variierenden Feldes sich ändert. Mit der Konzentration ändern sich hiebei auch der Brechungsindex in der Grenzschicht und deshalb auch die Bedingungen für eine Totalreflexion des zu steuernden Lichtes im Bereich dieser Grenzschicht. Als geeignete Medien dienen beispielsweise kolloidale Lösungen oder solubilisierte Systeme, z. B. Benzolsolubilisate. Es können auch Gele oder gequollene Kunststoffe Anwendung finden.
Das elektrische Feld wird beispielsweise durch eine elektrische Spannung erzeugt, welche an Elektroden angelegt wird, die auf den Stufenflächen 10,11 der Ansätze 3 des Stufensystems 1 angeordnet sind.
Auf der oberen Stufenfläche 10 eines jeden Ansatzes 3 sind mehrere lichtdurchlässige Elektrodenelemente 12 rasterartig nebeneinander angeordnet, während die untere Stufenfläche 11 eines jeden Ansatzes 3 über deren gesamte Fläche hinweg mit einer Sammelelektrode 13 belegt ist, die geschwärzt ist und deshalb das auf sie auffallende Licht absorbiert.'Das elektrische Feld bildet sich jeweils zwischen den rasterförmigen Elektrodenelementen 12 eines Ansatzes 3 und der Sammelelektrode 13 des darüberliegenden Ansatzes aus.
AufGrund der in der vorgenannten älteren österr. Patentschrift näher erläuterten Einwirkung des elektischen Feldes auf das Medium 9 bildet sich bei Vorhandensein dieses Feldes an der über den Rasterelek- troden 12 liegenden Grenzschicht dieses Mediums eine Konzentrationsänderung aus, die zu einer Änderung des Brechungsindex in dieser Grenzschicht und somit zu einer Änderung des Reflexionsvermögens führt. Hiebei sei angenommen, dass der Brechungsindex der Steuerflüssigkeit 9 in nicht ausgesteuertem Zustand z. B. den Wert 1, 45 aufweist und in der Grenzschicht bei voller Aussteuerung auf den Wert des Lösungsmittels, beispielsweise des Wassers, also auf den Wert 1, 33, absinkt. Das Glas des Stufensystems 1 hingegen besitzt einen Brechungsindex, der über dem Wert 1, 45 liegt.
Das auszusteuernde Licht kommt beispielsweise von einer Lichtquelle 14, deren Lichtstrahlen durch die Stufenlinse 15 in bekannter Weise annähernd parallel gerichtet werden, und tritt durch die Glasscheibe 4 in die Lichtsteuereinrichtung ein. Nach Durchdringen der Steuerflüssigkeit 9 trifft es auf die Stufenflächen 10 der Ansätze 3 auf und fällt - wie weiter unten noch eingehend erläutert wird-je nach. dem Grad der Aussteuerung'mit einem grösseren oder geringeren Anteil in das Stufensystem 1 ein, aus dem es an der Fläche 16 der Grundplatte 2 wieder austritt. Die Lichtaustrittsfläche 16 kann mattiert sein oder mit einerWabenlinse oder mit einer Opalschicht versehen sein, so dass die Grundplatte 2 gleichzeitig als Bildschirm dient.
Im Lichtweg hinter der Grundplatte 2 kann jedoch statt dessen auch ein gesonderter Bildschirm zur Bildbetrachtung in der Durchsicht oder Aufsicht, eventuell unter Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik, vorgesehen sein.
Das Beleuchtungssystem 14, 15 ist derart ausgebildet, dass die Strahlen des zu steuernden Lichtes, von denen in Fig. 2 lediglich ein Lichtstrahl 17 dargestellt ist, nur unter solchen Winkeln auf die Stufenflächen 10 der Ansätze 3 auftreffen, die gleich oder grösser sind als der Grenzwinkel der Totalreflexion im
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Falle der Aussteuerung. Die Stufenlinse 15 kann mit der Glasplatte 4 auch baulich vereinigt sein. Beide
Teile können auch einstückig ausgebildet sein.
Da der Brechungsindex des Stufensystems 1 grösser ist als der der Steuerflüssigkeit 9, werden die auf die Stufenfläche 10 auftreffenden Lichtstrahlen 17 bei Nichtvorhandensein eines elektrischen Feldes an der
Stufenfläche la zum Lot hin gebrochen und dringen somit in das Stufensystem 1 ein, das sie an der Flua- che 16 der Grundplatte 2 wieder verlassen-vgl. den Lichtstrahl 18 in Fig. 2.
Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 12, 13 bildet sich unter der Einwirkung des elektrischen Feldes an der Schrägfläche 10 in der Steuerflüssigkeit 9 eine Verarmungsschicht aus, in welcher der Brechungsindex absinkt, so dass die Lichtstrahlen 17 an der Konzentrationssprungstelle dieser
Verarmungsschicht bei hinreichender Dicke dieser Schicht total reflektieren und zur Schrägfläche 11 des jeweils darüberliegenden Ansatzes 3 abgelenkt werden, wo sie von der jeweiligen Elektrode 13 absorbiert werden-vgl. den Lichtstrahl 19.
Ist die Stärke oder die Dauer der Wirksamkeit des elektrischen Feldes verhältnismässig gering, so bleibt die Dicke der sich ausbildenden Verarmungsschicht unter dem für eine völlige Totalreflexion erforderlichen Wert, so dass in diesem Falle trotz Erfüllung der für die Totalreflexion erforderlichen Bedingungen über den Einfallswinkel des Lichtes nur eine teilweise Reflexion des Lichtes er- folgt. Hiedurch ist eine kontinuierliche Aussteuerung des in das Stufensystem 1 einfallenden Lichtes zwi- schen 100 und 0% möglich.
An den Stellen, an denen die Rasterelektroden 12 eine hinreichend hohe Spannung erhalten, gelangt somit kein Licht mehr in das Stufensystem l, so dass die entsprechend zugeordneten Stellen der Austritts- fläche 16 dunkel bleiben.
Angesichts des Umstandes, dass die Elektroden 12,13 nicht parallel zueinander, sondern unter Bildung eines Winkels zueinander angeordnet sind, ist die Stärke des zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden sich ausbildenden elektrischen Feldes genau genommen nicht konstant. Die die Elektroden bildenden Rasterelemente können jedoch so klein gehalten sein, dass sie jeweils nur einem Bildpunkt zugeordnet sind. Hiedurch wirkt sich die Änderung der Feldstärke mit zunehmendem Abstand von der inneren Kante des keilförmigen Raumes zwischen den zugeordneten Elektroden auf das darzustellende Bild praktisch nicht aus.
In Fig. 3 ist eine Abänderung der vorbeschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemässen Lichtsteuereinrichtung gezeigt. Bei dieser abgeänderten Ausführungsform sind das Stufensystem l* und die Glas- platte 4'hinsichtlich ihrer räumlichen Anordnung im Vergleich zu den entsprechenden Baugliedern 1, 4 des Gegenstandes der Fig. 1 und 2 miteinander vertauscht. In diesem Fall tritt das zu steuernde Licht an der Grundplatte 2'des Stufensystems l'in die Lichtsteuereinrichtung ein und verlässt diese an der Glasplatte 4', deren Lichtaustrittsfläche 20 mattiert oder mit einer Wabenlinse versehen sein kann. Im übrigen entspricht jedoch der Aufbau der in Fig. 3 gezeigten Lichtsteuereinrichtung, insbesondere der Aufbau des Stufensystems 1', im wesentlichen den entsprechenden Baugruppen der Fig. 1 und 2.
Die Lichtstrahlen 17'treffen beim Gegenstand der Fig. 3 in einem Winkelbereich auf die Stufenflä- chen 10'des Stufensystems l'auf, der einerseits durch den Grenzwinkel der Totalreflexion an den Stufenflächen 10'bei Nichtvorhandensein eines elektrischen Feldes und anderseits durch den Grenzwinkel der Totalreflexion an den Stufenflächen 10'im Falle völliger Aussteuerung begrenzt ist.
Auch in diesem Falle bilden sich an den Stufenflächen 10'Verarmungsschichten aus. Bei Nichtaussteuerung treten die Lichtstrahlen zumindest teilweise in die Steuerflüssigkeit 9 ein-vgl. den Lichtstrahl 18'-, während bei völliger Aussteuerung, d. h. bei Ausbildung einer konzentrationsverrninderten Schicht hinreichender Dicke, das gesamte Licht total reflektiert wird-vgl. den Lichtstrahl 19'. Auch in diesem Falle werden also bei völliger Aussteuerung die entsprechenden Stellen der Lichtaustrittsfläche 20 dunkel.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemässen Lichtsteuereinrichtung entspricht weitgehend dem Gegenstand der Fig. 1. Die zu steuernden Lichtstrahlen 17" treten hiebei jedoch durch die unteren Flächen 11"der Ansätze 3" in das Stufensystem 1" ein und fallen bei Nichtaussteuerung bis auf einen kleinen, abzublendendenRest durch die Ansätze 3" hindurch in den Raum der Steuerflüssigkeit 9, wo sie an dem geschwärzten Teil 21 des benachbarten Ansatzes 3"absorbiert werden-vgl. den Licht-
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handensein eines elektrischen Feldes bildet sich an den Schrägflächen 10"wiederum eine Verarmungsschicht ans, welche die Totalreflexion des auftreffenden Lichtes bewirkt-vgl. den Lichtstrahl 19", der durch die Grundplatte 2" aus der Lichtsteuereinrichtung austritt.
Während also in diesem Falle die Lichtaustrittsfläche 16"bei Nichtaussteuerung dunkel bleibt, wird sie im Aussteuerungsfalle entsprechend der bildmässigen Verteilung der Feldstärke des elektrischen Feldes beleuchtet.
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Auch beim Gegenstand der Fig. 4 liegt der nutzbare Bereich des Öffnungswinkels der Lichtstrahlen 17" zwischen den Grenzwinkeln der Totalreflexion an den Stufenflächen 10" bei nicht ausgesteuerter Flüssigkeit 9 einerseite und bei ausgesteuerter Flüssigkeit anderseits.
Die vorgeschlagene Lichtsteuereinrichtung kann vorteilhafterweise bei Fernsehbildwandlern Anwendung finden. Jeder der Ansätze 3, 3', 3"des Stufensystems l, 1', 1", dessen optische Funktion vorstehend beschrieben wurde, entspricht einer Zeile des Fernsehbildes. Dementsprechend umfasst das gesamte Stu-
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sind, in je 833 durchsichtige und voneinander elektrisch isolierte Elektrodenrasterelemente aufgegliedert.
Diese Aufgliederung ist in Fig. 5 schematisch angedeutet. Wie dort dargestellt ist, werden die dis- kreten Elektrodenpunkte 12, die in verschiedenen Zeilen untereinanderliegen, mit dünnen Drähten 22 verbunden. Die Zuleitungen der den Rasterelektroden 12 gegenüberliegenden Sammelelektroden 13 sind mit 23 bezeichnet. Die beiden Elektrodensysteme bilden somit ein Koordinatensystem. Die Aussteuerung eines Bildpunktes erfolgt dabei so, dass das Helligkeitssignal in Form einer elektrischen Spannung an diejenige Elektrodenzeile bzw. Spalte gelegt wird, an deren Kreuzungspunkt der auszusteuernde Bildpunkt liegt. Dies trifft insbesondere für die Ausführungsform gemäss Fig. 4 zu.
Bei den Ausführungsformen gemäss Fig. 1 bis 3 gilt allerdings das Umgekehrte ; hier erfolgt ja der Lichteinfall in den Beobachtungsraum gerade dann, wenn an dem betreffenden Bildpunkt keine totalre- flektierende Konzentrationsänderung erzeugt wird. Zur Erzeugung eines positiven Bildes muss daher in diesem Falle das Elektrodensystem"Negativ"-Signale der ursprünglichen Helligkeitssignale erhalten.
Der zeitliche Ablauf der Aussteuerung der Einrichtung mit Fernsehbildsignalen erfolgt so, dass über eine an sich bekannte und deshalb nicht dargestellte elektronische Digitalschaltungsanordnung zuerst die Sammelelektrode 13 der Zeile 1 an einen Pol der Helligkeitssignal-Spannungsquelle gelegt wird und sodann in den der Bildpunktfolge entsprechenden Zeitabständen die Spaltenelektroden 12 in der Reihenfolge l, 2 usf. bis 833 an den andern Pol der Helligkeitssignal-Spannungsquelle gelegt werden. Nachdem dergestalt eine Zeile des Bildes durchlaufen ist, wird die Sammelelektrode 13 der Zeile 2 an die Spannungsquelle gelegt, und derselbe Vorgang beginnt hier von neuem. Dies setzt sich fort, bis das ganze Bild überstrichen ist. Daraufhin wiederholt sich der gesamte Vorgang.
Die vorgeschlagene Einrichtung zur Lichtsteuerung kann auch zu andern Zwecken Anwendung finden, z. B. bei Radarbildwandlern, Röntgenbildwandlern, Bildkonvertern u. dgl. Bei Bildkonvertern, welche ein Negativbild in ein Positivbild umwandeln, können die den Helligkeitssignalen des Negativs entsprechenden Spannungen ohne Umkehr an die Elektroden 12,13 angelegt werden, wenn Lichtsteuereinrichtungen nach Art der Fig. 1 - 3 benutzt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Lichtsteuerung, bei welcher das Brechungsvermögen eines Mediums an einer Steuer- fläche entsprechend den Steuersignalen geändert und hiedurch die von der Steuerfläche reflektierten bzw. hindurchgelassenen Lichtanteile variiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfläche aus mehreren, zur Richtung des zu steuernden und des gesteuerten Lichtes geneigten Abschnitten besteht, die wie die Lamellen einer Jalousie angeordnet sind und deren Kanten in zur Austrittsrichtung des gesteuertenLichtes annähernd senkrechten Ebenen liegen.