Optische Verzögerungsvorrichtung aus ferroelektrischer Keramik
Die Erfindung betrifft eine optische Verzögerungsvorrichtung für linear polarisiertes Licht. Unter optischer Verzögerung versteht man die Umwandlung von monochromatischem, linearpolarisiertem Licht in einer doppeltbrechenden optischen Vorrichtung in eine andere Polarisationsform, z. B. elliptische oder zirkulare Polarisation.
Ein monochromatischer, linear polarisierter, auf eine doppeltbrechende optische Vorrichtung auffallender Lichtstrahl kann in zwei orthogonale Komponenten in einer senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung liegenden Ebene zerlegt werden. So ist z. B. die Zerlegung in eine schnelle und eine langsame Komponente (d. h. bei einem negativ doppeltbrechenden Gerät in den ausserordentlichen und den ordentlichen Lichtstrahl), entsprechend dem kleineren und dem grösseren Brechungsindex entlang der c- und der a-Kristallachse der optischen Vorrichtung möglich. Da die Fortpflanzung der orthogonalen Komponenten des einfallenden linear polarisierten Lichts durch ein doppeltbrechendes optisches Gerät mit verschiedener Geschwindigkeit erfolgt, ändert sich das Phasenverhältnis der beiden Komponenten.
NachDurchgang durch das optische Gerät werden die Komponenten wieder vereinigt und bilden einen einzigen, elliptischen oder gegebenenfalls kreisförmigen, polarisierten Lichtstrahl.
Bekannte Vorrichtungen verwenden die Doppelbrechung eines einzelnen, ferroelektrischen Kristalls zur Beeinflussung des durch den Kristall tretenden Lichts.
Wird in diesen Vorrichtungen ein linear polarisierter Lichtstrahl auf eine Fläche eines den durchgehenden Lichtstrahl elliptisch polarisierenden doppeltbrechenden Kristalls gerichtet, so lässt ein mit seinen Achsen in einem Winkel von 900 zum einfallenden polarisierten Lichtstrahl angeordneter Analysator das eine Komponente auf der Analysatorachse enthaltende polarisierte Licht hindurch, so dass die Komponente durch eine photo empfindliche Vorrichtung abgetastet werden kann.
Eine Änderung der Lichtdurchlässigkeit dieser bekannten Vorrichtungen erfolgt durch entsprechende Ände- rung der doppeltbrechenden Eigenschaften des ferroelektrischen Kristalls. In einige Anordnungen geschieht diese Veränderung durch Erhitzen des doppeltbrechenden ferroelektrischen Kristalls bis zu einer Temperatur, die etwas über seiner Curietemperatur liegt. Dadurch wird der Kristall paraelektrisch und optisch isotrop. Ein an den Kristall gelegtes elektrisches Feld verstärkt die ferroelektrische Phase, so dass der Kristall wieder doppeltbrechend wird. Die Doppelbrechung ist dabei dem Quadrat des elektrischen Felds proportional, so dass das Gerät den elektro-optischen Kerreffekt zeigt. Wird das elektrische Feld unterbrochen, so wird der Kristall wiederum optisch isotrop.
Nachteilig bei diesen Vorrichtungen ist die erforderliche sehr genaue Temperaturregelung, sowie die Notwendigkeit, zur Aufrechterhaltung des engen Temperaturbereichs nahe dem Curiepunkt geeignete Heiz- und Kühlvorrichtungen vorzusehen.
Andere, bekannte Anordnungen verwenden aus einzelnen ferroelektrischen Kristallen bestehende Platten mit der kristallographischen c- oder a-Richtung parallel zu den Hauptflächen der Platte. Durch Anlegen eines elektrischen Felds geeigneter Grösse und Richtung werden kleine, örtlich begrenzte Zonen der Platte um 90" umorientiert und dadurch die doppeltbrechenden und verzögernden Eigenschaften des Kristalls entsprechend verändert. Wird der Kristall zwischen kreuzweise angeordnete Polarisatoren gelegt, so kann die Änderung der Doppelbrechung eine entsprechende Änderung in der Durchlässigkeit der Polarisator-Kristall-Analysator-Anordnung zur Folge haben. Wird die Polarisationsspannung unterbrochen, so fällt jedoch das Kristall in ziemlich kurzer Zeit wieder in den Ausgangszustand zurück.
Die Zerfallszeit in einem c-Domänenkristall für eine örtlich begrenzte a-Domäne beträgt z. B. eine Mikro sekunde oder weniger, während in einem a-Domänenkristall die Zerfallszeit einer c-Domäne nur Minuten oder allenfalls Stunden beträgt. Nachteilig ist dabei, dass den umorientierten Domänen starke örtlich begrenzte Spannungs- bzw. Verzerrungsfelder entgegenwirken.
Ungünstig ist ferner, dass die Randbreite, d. h. die Breite des Übergangsbereichs zwischen der örtlich geschalteten Fläche und der diese umgebenden ungeschalteten Fläche von der Kristalldicke abhängt und dieser etwa entspricht. Randbreite und Kristalldicke beschränken aber in vielen Fällen die Anzahl der örtlich begrenzten umorientierbaren Stellen, die auf einem gegebenen Kristall vorgesehen werden können.
Schliesslich liefern die bekannten optischen Verzögerungsanordnungen lediglich eine EIN-AUS bzw. binäre O - l -Funktion. In vielen Anwendungsfällen sind aber mehr als zwei stabile Phasen erwünscht, wie z. B. in dreizähligen oder achtzähligen Speichern, Analoggedächtnisschaltungen und entsprechenden Logikschaltungen.
Aufgabe der Erfindung ist demgemäss eine optische Verzögerungsvorrichtung, die auch mehr als zwei stabile Verzögerungszustände liefern kann, deren Randbreite unabhängig von der Materialdicke ist, die bei Zimmertemperatur arbeiten kann, und ein Bild hoher Auflösung speichern oder erzeugen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aus doppelbrechendem, optisch einachsigem Material bestehende, ferroelektrische Keramikplatte mit einer Korngrösse kleiner als 2 ttm und mit gleichförmiger Anfangsausrichtung der optischen Achsen aller Kristallite und Mittel zur Änderung der Verzögerung des durch bestimmte Stellen der Platte tretenden linear polarisierten Lichts.
Anhand der Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Die Figur la eine teilweise perspektivische, schematische Ansicht einer elektro-optischen Verzögerungsanordnung mit einem aus optisch einachsigem Material bestehenden doppeltbrechenden, ferroelektrischen Keramikelement und bestimmter Elektrodenanordnung; die Figur Ib schematisch die Ausrichtung der bevorzugten Durchgangsrichtungen von Polarisator, Analysator und der optischen Achsen einer Fläche des ferroelektrischen Keramikelements entsprechend der Figur la; die Figur 2 eine zur Anlegung der Schaltspannung an die Elektroden der Figur la geeignete Schaltung; die Figur 3 die Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines für die Anordnung der Figur 1 verwendbaren Keramikelements und der zugehörigen Elektrodenanordnung;
die Figur 4 den Querschnitt einer weiteren Ausführungsform, die ebenfalls in der Anordnung gemäss Figur 1 verwendbar ist; die Figur 5 die Ansicht der auf einem Keramikelement in Matrizenform angeordneten Elektroden der Figur 1; die Figur 6 eine teilweise perspektivische, schematische Ansicht einer weiteren, ebenfalls in der Anordnung der Figur 1 verwendbaren Ausführungsform; die Figur 7 in perspektivischer Ansicht eine in der Figur 6 verwandte Keramikplatte und deren Wirkungsweise.
Nach dem Ausführungsbeispiel der Figur la besteht eine die erfindungsgemässe Vorrichtung verwendende optische Anordnung aus der optischen Verzögerungsvorrichtung 10, einer gewöhnlichen Lichtquelle 12, wie z. B. einer Glühlampe oder einer Quecksilber-Lichtbogenlampe, die mit einer Kollimatorlinse oder Faseroptik versehen sein kann, sowie dem linearen Polarisator 14 und dem Analysator 16, die je eine durch die Pfeile angedeutete bevorzugte Strahlendurchgangsrichtung haben, sowie einer geeigneten photoempfindlichen Vorrichtung, wie z. B. einem Photovervielfacher oder einer Photodiode 18, und schliesslich dem Verbraucher 19. Die optische Verzögerungsvorrichtung 10 beeinflusst die Intensität des von der Quelle 12 auf die photoempfindliche Vorrichtung 18 auffallenden Lichts.
Die optische Verzögerungsvorrichtung 10 enthält eine heissgepresste, aus optisch einachsigem Material bestehende polykristalline, ferroelektrische, keramische, dünne, polierte Platte 20 mit einem Korngrössennennwert von weniger als zirka 2 ,. In der Figur la ist die Platte 20 der Deutlichkeit halber mit übertriebener Dicke eingezeichnet. Die günstigsten Lichtdurchlässigkeits- und -verzögerungseigenschaften werden erfindungsgemäss mit Platten dieser Art in einer Dicke von 20-250 u erzielt, wobei jedes Korn bzw. Kristallit der polykristallinen Keramik eine oder mehrere ferroelektrische Domänen enthalten kann.
Jede Domäne kann als eine Anordnung von parallel ausgerichteten elektrischen Dipolen aufgefasst werden, die ihre Entstehung der nicht-zentralsymmetrischen Anordnung der Atome einer Zelleinheit des Kristallgifters verdanken. Die eine Domäne bildende parallel ausgerichtete Anordnung elektrischer Dipole besitzen einen aus der vektoriellen Summierung der Elementardipole der Zelleinheit innerhalb der Domäne resultierenden elektrischen Dipol. Wird ein äusseres elektrisches Feld an die ferroelektrische Keramikplatte gelegt, so haben die resultierenden Domänendipole die Neigung, sich in Richtung des angelegten Felds parallel auszurichten. Es hat sich nun herausgestellt, dass bei Unterbrechung bzw.
Entfernung des elektrischen Felds die meisten der resultierenden Domänendipole einer heissgepressten, ferroelektrischen Keramikplatte ihre neue Ausrichtung parallel zur elektrischen Feldrichtung beibehalten. Die Keramik ist dann ganz oder teilweise in Richtung des zuvor angelegten Felds gepolt. In der Regel sind die physikalischen Eigenschaften der gepolten Keramik anisotrop bei Rotationssymmetrie in der zur Richtung des zuvor angelegten elektrischen Felds senkrecht verlaufenden Ebene.
In einer optisch einachsigen, ferroelektrischen Keramik sind die einzelnen Körner oder Kristallite ebenfalls optisch einachsig, d. h. sie besitzen die Symmetrieeigenschaften eines optisch einachsigen, doppeltbrechenden Kristalls. Zu den optisch einachsigen Kristalliten gehören u. a. solche mit tetragonaler, trigonaler (rhombohedrischer) und hexagonaler Symmetrie. Wird nun ein in hohem Masse homogenes, optisch einachsiges ferroelektrisches Keramikelement mit gleichförmigem Korndurchmesser von weniger als 2 u elektrisch gepolt, so wird es in der zur Polungsrichtung parallelen Ebene optisch doppeltbrechend.
Sind die einzelnen Kristallite negativ doppeltbrechend, so wird die elektrische Polrichtung die schnelle, und sind diese positiv doppeltbrechend, so wird die elektrische Polrichtung die langsame Achse der Keramik. Der Wert der Doppelbrechung einer ferroelektrischen Keramikplatte hängt dabei vom Grad bzw. der Grösse der elektrischen Polarisation in einer gegebenen Richtung ab, d. h. entscheidend ist, ob die Keramik in einer bestimmten Richtung ganz oder nur teilweise polarisiert ist. Die Ausrichtung der optischen Achse hängt dabei von der Richtung der elektrischen Polarisation in der Keramik ab. Die elektrische Regelung der Lichtdurchlässigkeit der optischen Verzögerungsvorrichtung 10 geschieht somit durch Veränderung von Grösse oder Richtung (oder beiden zusammen), ihrer ferroelektrischen Polarisation durch Anlegung eines äusseren elektrischen Felds.
Hierdurch wird entweder die Doppelbrechung oder der Winkel p der Figur 1b (oder beide) der Verzögerungsvorrichtung verändert. Die Anderung der Lichtdurchlässigkeit der Platte 20 erfolgt durch ein erstes Elektrodenpaar 22, 24, sowie ein zweites, senkrecht zu dem ersten Paar angeordnetes Elektrodenpaar 26, 28, wobei jedes Elektrodenpaar in der gezeigten Weise auf der gleichen Plattenfläche einander gegen überliegt und durch die örtlich begrenzte Polarisationsfläche 25 voneinander getrennt sind. Die Elektroden 22, 24, 26, 28 können durch bekannte elektrische Mittel erregt werden, so dass zwischen jedem Elektrodenpaar getrennte und zu ihrer Anordnungsfläche parallele Polarisations- oder Schaltfelder erzeugt werden. Ein hierzu geeignetes elektrisches Mittel ist in der Figur 2 gezeigt.
Die betreffenden Elektrodenpaare können über einen doppelpoligen Doppelkippschalter 30 und einen Umpolungsschalter 32 mit einer gewöhnlichen Gleichstromquelle, z. B. der Batterie 34, verbunden sein. Zur Erzeugung der erforderlichen Polungs- oder Schaltfelder können auch geeignete elektrische oder elektronische Schalt- oder Logil;schaltkreise verwendet werden. Wird nun die Elektrode 22 im Verhältnis zur Elektrode 24 und den neutralen Elektroden 26, 28 positiv beaufschlagt, so werden die örtlich begrenzten Stellen 25 der Keramikplatte 20 unter Ausrichtung ihrer optischen Achsen in der Pfeilrichtung 36 polarisiert bzw. geschaltet. Wird andererseits bei neutralen Elektroden 22, 24 die Elektrode 28 im Verhältnis zur Elektrode 26 positiv beaufschlagt, so erfolgt die Schaltung unter Ausrichtung der optischen Achsen in Richtung des Pfeils 38.
Durch Umkehrung der Vorspannung der betreffenden Elektroden kann die elektrische Polarisation für jedes Elektrodenpaar umgekehrt, d. h. um 1800, geschaltet werden.
Somit kann für die gezeigte Elektrodenanordnung die Fläche 25 in vier verschiedenen Richtungen polarisiert werden.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Keramikplatte mit den zuvor erläuterten Merkmalen und unter Einhaltung der weiter unten erläuterten Herstellungsbedingungen parallel zur Plattenfläche elektrisch polarisiert werden kann, so dass ihre optische Achse in eine der Pfeilrichtungen 36 oder 38 in der Fläche 25 zeigt. Ferner wurde gefunden, dass die Keramikplatte ohne Beeinträchtigung der Polarisation auf der einen Plattenseite auch auf der gegenüberliegenden Plattenfläche und allen übrigen Plattenflächen unabhängig voneinander entsprechend elektrisch polarisiert werden kann, solange die Ausdehnung der Polarisationsfläche in Richtung des Polarisationsfelds die Plattendicke nicht übersteigt. Ferner ist die so erzeugte elektrische Polarisation zeitstabil und wird bis zur Aufhebung durch nachfolgende Anlegung eines Schaltfeldes anderer Richtung beibehalten.
So kann z. B. eine zweite Elektrodengruppe 22', 24', 26', 28' auf der den Elektroden 22, 24, 26, 28 gegen überliegenden Plattenfläche vorgesehen sein. Diese Elektrodengruppe wird dann durch eine entsprechende Schaltung gemäss Figur 2 erregt, so dass die optischen Achsen der Kristalliten an ihrer Oberfläche in der örtlich begrenzten Fläche 25' in eine der vier oben erläuterten Richtungen, z. B. die Pfeilrichtungen 36' oder 38', zeigen. Bei zwei Elektrodengruppen entsprechend der Figur 1 steigt die Zahl der verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der elektrischen Polarisationsverhältnisse der Platte entlang einer durch die örtlichen Stellen 25 und 25' führenden Geraden auf sechzehn.
Zur Erzielung einer maximalen Lichtdurchlässigkeitsregelung sollten der kollimierte, linearpolarisierte Lichtstrahl der Lichtquelle 12, und der Polarisator so ausgerichtet sein, dass der Strahlengang durch die jeweilige Mitte der beiden Flächen 25 und 25' führt.
Das auf die Keramikplatte 20 fallende linearpolarisierte Licht wird je nach dem Winkel p der Figur 1b zwischen ihrer Polarisationsebene und der bevorzugten Richtung (schnelle und langsame Achsen) der Keramikplatte 20 verschieden beeinflusst. Verläuft das einfallende linearpolarisierte Licht parallel zu einer der bevorzugten Richtungen, so lässt die Keramikplatte 20 nur einen Lichtstrahl durch, der sodann nur parallel zu dieser bevorzugten Richtung schwingt. Ist dagegen das einfallende Licht parallel zu keiner der bevorzugten Richtungen der Keramikplatte 20 linearpolarisiert, so wird es vektoriell in zwei orthogonale Strahlen oder Komponenten nach Einfall in die Keramikplatte 20 zerlegt, und jede dieser Komponenten schwingt parallel zu einer bevorzugten Richtung.
Eine dieser orthogonalen Komponenten (die langsame Komponente) wird beim Durchgang durch die Keramikplatte hinsichtlich der anderen Komponente (der schnellen Komponente) phasenverzögert.
Bei ihrem Austritt besitzen die beiden orthogonalen Komponenten in der Regel verschiedene Phasen und vereinigen sich unter Bildung eines einzigen, elliptisch polarisierten Lichtstrahls. Entspricht nach der Wiedervereinigung der Phasenunterschied zwischen der schnellen und der langsamen Komponente null oder einer geraden Zahl von Halbwellenlängen, so degeneriert die Ellipse zu einer mit der Einfallsschwingungsebene parallelen Geraden. Der austretende Lichtstrahl ist daher parallel zur Polarisationsrichtung des einfallenden Strahls linear polarisiert. Ist andererseits nach der Wiedervereinigung der Komponenten der Phasenunterschied eine ungerade Zahl von Halbwellenlängen, so degeneriert zwar auch hier die Ellipse zur Geraden, die jedoch in diesem Falle mit der Schwingungsebene des einfallenden Lichts einen Winkel 2p bildet.
Entspricht die Verzögerung einer ungeraden Zahl von Viertelwellenlängen und beträgt der Winkel p = 45 , so ist das austretende Licht kreisförmig polarisiert. Enthält das durch die Verzögerungsvorrichtung 10 gehende und auf den Analysator 16 fallende Licht eine Komponente in der bevorzugten Durchgangsrichtung des Analysators, so wird nur diese Komponente auf das photoempfindliche Gerät 18 übertragen.
Unter Vernachlässigung von Reflektions-, Absorptions- und Streuungsverlusten kann die spiegelnde Übertragung T durch Polarisator 14, Verzögerungsvorrichtung 10 und Analysator 16 entsprechend den Figuren la und 1b nach der folgenden Gleichung errechnet werden: T = lilo = cos20-sin22(p-X)) sin 2p sin2 (A)a (1)
Hierin bezeichnen:
: 1o = Intensität des auf den Polarisator 14 fallenden
Lichts, I = Intensität des aus dem Analysator 16 tretenden
Lichts, = = Winkel zwischen der bevorzugten Durchgangs- richtung des Polarisators 14 einerseits und des
Analysators 16 andererseits, p = Winkel zwischen derbevorzugten Durchgangsrich- tung des Polarisators 14 und der nächsten opti schen Achsenrichtung der Verzögerungsvorrich tung 10, , = Verzögerung in Wellenlängen = (ne - n0) (t/l,), ne = Brechungsindex entlang der optischen Achse, n0 = Brechungsindex in jeder in der senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Ebene liegenden
Richtung, t = Plattendicke, und RO = Wellenlänge des von der Lichtquelle 12 erzeug- ten Lichts.
Bei gegebenem, von der Doppelbrechung (ne - nO), der Plattendicke t, und der Wellenlänge RO abhängigem Verzögerungswert t kann somit die auf die photoempfindliche Vorrichtung 18 fallende Lichtintensität I entsprechend der Winkeländerung p von 0"-360" zwischen einem oder mehreren Maximum- und Minimumwerten schwanken.
Jedoch wurde gefunden, dass das auf die photoempfindliche Vorrichtung 18 fallende Licht aus zwei Komponenten besteht: 1. der oben beschriebenen Komponente mit der Intensität I, und 2. der infolge der unzusammenhängenden Streuung in der Keramikplatte 20 entstehenden Komponente mit der Intensität Is. Die resultierende Intensität IR des auf das photoempfindliche Gerät 18 fallenden Lichts ergibt sich somit aus der Zählsumme der Intensitäten I und Is nach der Formel IB = I + IS- (2)
Ferner hat sich herausgestellt, dass IR unterscheidbar für die je vier möglichen Achsenrichtungen in der Fläche 25, 25' und all deren Kombinationsmöglichkeiten sein kann.
Infolgedessen kann die photoempfindliche Vorrichtung für jede der sechzehn möglichen Kombinationen von Ausrichtungen der optischen Achsen in den Flächen 25 und 25' eine verschiedene Lichtintensitätsstufe IE des aus dem Analysator 16 tretenden Lichts feststellen, und ein dieser Lichtintensität proportionales Signal auf den Verbraucher 19 geben.
Wie zuvor ausgeführt, hängen die Lichtdurchlässigkeitsmerkmale von dünnen, polierten Platten bestimmter, heissgepresster, feinkörniger (d. h. mit Nennwerten der Korndurchmesser von weniger als 2 Ä ferroelektrischer Keramiken von dem ferroelektrischen Polarisierungszustand ab. Grad und Richtung der Domänenausrichtung, d. h. Grösse und Richtung der elektrischen Polarisation bestimmen die optischen tÇbertragungskenn- zeichen dieser Keramikplatten. In der obigen Erläuterung der Verzögerungsvorrichtung 10 ist der Einfluss der elektrischen Polarisation der Keramikplatte parallel zu ihren Hauptflächen auf die Lichtübertragung im einzelnen dargelegt. Befindet sich die Platte dagegen in einem ungeordneten oder thermisch entpolarisierten Zustand, so hängt die Lichtübertragung in erster Linie von der Plattendicke ab.
Je nach der Dicke erscheint die keramische Platte opak oder nahezu durchsichtig.
Das übertragene linear polarisierte Licht ist je nach der Plattendicke zu 10-60 /o, infolge der Streuung durch die ungeordneten ferroelektrischen Domänen, entpolarisiert. Die diffuse Lichtübertragung ist dabei der in jedem der elektrisch polarisierten Zustände etwa gleich.
Wird die ferroelektrische Platte senkrecht zu ihren Hauptflächen elektrisch polarisiert, so wird sie für auf ihre Hauptflächen senkrecht fallendes Licht isotrop.
Dieses Verhalten ist nicht unerwartet, da hier die optische Achse der Keramikplatte mit der elektrischen Polarisationsrichtung zusamenfällt. Das so einfallende linear polarisierte Licht wird daher unter Beibehaltung seiner Polarisationsform und -richtung übertragen. (Bei nur leichter Streuung wird 95 O/o des Lichts in einer parallel zur Polarisationsebene des einfallenden Lichts verlaufenden, linear polarisierten Richtung übertragen.) Im Vergleich zum ungeordneten Zustand erscheint die Platte daher durchsichtig. Das gestreute Licht verteilt sich dabei nahezu gleichförmig je nach der Intensität über einen grossen Winkel. Die Streuungsverluste sind auch für fast die gesamte durch die Keramikplatte bewirkte Dämpfung verantwortlich.
Wird die Keramikplatte auf eine oberhalb des Curiepunktes liegende Temperatur erhitzt, so werden die einzelnen Kristallite bzw.
Kornteilchen isotrop und infolgedessen wird die dünne Platte insgesamt vollständig isotrop. Die Streuung wird hierbei so stark herabgesetzt, dass die Platte durchweg durchsichtig wird. Da sie in allen Richtungen isotrop ist, wird das linear polarisierte Licht praktisch unver ändert und ohne Drehung der Polarisationsebene übertragen.
Eine noch grössere Zahl von gesonderten Lichtausgangsstufen kann durch Anordnung weiterer Keramikplatten mit entsprechenden Elektrodenanordnungen, die in einer Reihe mit der Platte 20 liegen, z. B. durch die in der Figur 1 gestrichelt angedeutete Platte 21, oder durch Erhöhung der auf jeder Plattenfläche möglichen optischen Achsenrichtungen erzielt werden. Die Platte 21 kann entsprechend der Platte 20 eine oder zwei Elektrodengruppen tragen, wobei im letzteren Falle das photoempfindliche Gerät 18 eine grössere Anzahl von gesonderten Lichtstufen abtasten kann. Entsprechend der Figur 3 kann die Zahl der möglichen optischen Achsenrichtungen durch weitere, diagonal einander gegenüberliegende Elektrodenpaare verdoppelt werden.
Durch Anlegung einer entsprechenden Vorspannung an ein bestimmtes Elektrodenpaar kann die optische Achse in einer ferroelektrischen Keramikplatte 40 in jeder der Richtungen 42, 44, 46, 48 (oder der jeweils umgekehrten Richtung) polarisiert werden, wobei z. B. diese Richtungen mit der Polarisationsebene des z. B. vom Polarisator 14 der Figur 1 einfallenden Lichts einen Winkel von 900, 45 , 0 und H5 bilden kann. Eine zweite Elektrodengruppe kann auf der Rückseite der Platte 40 in der gleichen Weise wie in der Figur 1 dargestellt angebracht sein. Hierdurch wird die Zahl der gesonderten, durch den entsprechend angeordneten Analysator gehenden Lichtstufen noch weiter erhöht.
Die Lichtübertragungsmerkmale der Keramikplatte, z. B. der Platte 20 oder 40 der Figuren 1 und 3, kann unter Verwendung der Stokes-Mueller-Formel vollständig in folgender Weise beschrieben werden: {I, Q, U, V} = [M] {Io, Qo, Uo, V0}. (3)
Hierin bedeuten: I = Intensität unabhängig von der Polarisation, Q = Intensität bei bevorzugt horizontaler, linearer Po larisation, U = Intensität bei + 450 linear bevorzugter Polari sation, und V = Intensität bei rechtsgerichtet zirkular bevorzugter
Polarisation.
Die Komponenten des Stokes-Vektors für die einfallenden und übertragenen Lichtstrahlen können 10, Q,, U,, V0 bzw. I, Q, U, V und M sein, und die optische Übertragungsfunktion kann vollständig durch die 4 X 4 Mueller Matrix beschrieben werden.
EMI5.1
<tb>
<SEP> mii <SEP> mi <SEP> mii <SEP> mi4 <SEP>
<tb> [M] <SEP> = <SEP> mii <SEP> m22 <SEP> mii <SEP> m24
<tb> <SEP> mai <SEP> mii <SEP> mss <SEP> ms4 <SEP> (4)
<tb> <SEP> m4t <SEP> m42 <SEP> m4s <SEP> m44
<tb>
Die Faktoren mjj dieser Gleichung können dadurch gemessen werden, dass zwischen die Platte 20 und den Polarisator 14,
sowie zwischen die Platte 20 und den Analysator 16 der Figur 1 Viertelwellenplatten angeordnet werden und mit dem photoempfindlichen Gerät
18 in bekannter Weise für verschiedene Ausrichtungen der Viertelwellenplatten, des Polarisators, des Analysators und der Keramik-Achsen Messungen vorgenommen werden. Die Faktoren können auch in ebenfalls bekannter Weise mathematisch nach bekannten Regeln der Matrizenrechnung für verschiedene Richtungen der optischen Achse der Keramikplatte errechnet werden.
Die keramischen Platten 20, 40 können aus beliebigem, heissgepresstem, optisch einachsigem, ferroelektrischem Material bestehen, z. B. Bariumtitanat oder Bleizirkonat-Bleititanat mit einer Korngrösse von weniger als 2 u und einem hohen Grad von Homogenität.
Ein typisches, ferroelektrisches, keramisches Material kann z. B. aus 65 Mol-O/o PbZrOs und 35 Mol-O/o PbTiOs und zirka 2 Atom- /o Bi, als Bit03, bestehen. Die Herstellung der festen Lösung erfolgt z. B. durch 1. Abwiegen der Oxydpulver, 2. Nassmischen in einem geeigneten flüssigen Agens, 3. Trocknen, 4. Brennen bei einer Temperatur von etwa 8000 C für eine Dauer von zirka 1 Stunde, 5. Schroten oder Nassmahlen des gebrannten Guts, um die teilweise gesinterten Teilchenzusammenballungen aufzubrechen, 6. Trocknen, 7. Kaltpressen des Pulvers zu einem Formling, und 8.
Heisspressen für 1-24 Stunden bei einer Temperatur von ca. 80010500 C und einem Druck von ca. 35-1400 kg/cm2. Die Einstellung der gewünschten Korngrösse erfolgt durch entsprechende Wahl der folgenden Massnahmen: 1. Zusatz chemischer Modifikatoren, wie z. B.
BinOs oder Nb2O, die die gewünschten elektrischen Eigenchaften verbessern und gleichzeitig das Kornwachstum hemmen; 2. Wahl der als Ausgangsmaterial dienenden Oxydpulver ausreichender chemischer Reinheit (i. d. R. über 99,2 O/o), und 3. Wahl der geeigneten Heisspressbedingungen, wie Temperatur, Zeit und Druck. Nach dem Heisspressen kann der Formling in dünne Scheiben geschnitten werden, die sodann bei ca. 500-700" C etwa 15 Min. angelassen, auf Zimmertemperatur abgekühlt, mit den Elektroden versehen und bis zur Einstellung der gewünschten, gleichförmigen
Ausgangspolarisation elektrisch polarisiert werden. Das
Material zeigt die gewünschten elektro-optischen Eigen schaften bei Zimmertemperatur.
Die Randbreite (d. h. die Breite der Übergangszone zwischen einer örtlich geschalteten Fläche und der diese umgebenden ungeschalteten Fläche) der Keramikplatte ist eine Funktion der Korngrösse und liegt gewöhnlich zwischen 5 und 10 ,u. Infolgedessen kann bei einer
Korngrösse von 1 u die Randbreite 5-10 kt betragen.
Infolge dieser Abhängigkeit kann nun aber die gewünschte Randbreite durch Auswahl der entsprechenden Heisspressbedingungen beeinflusst werden. Zur Erzielung einer Korngrösse von 1 e kann z. B. die keramische Masse 4 Stunden lang bei einer Temperatur von 1000-2050" C und einem Druck von 56: kg/cm2 heissgepresst werden.
In einer heissgepressten keramischen, ferroelektrischen Platte mit einer ferroelektrischen Polarisation können der örtlich geschalteten Feldrichtung des einzelnen Korns Spannungsfelder entgegenwirken, die jedoch im Vergleich zu einem einzelnen Kristall nur sehr gering sind. Infolgedessen wird ein Zurückfallen der geschalteten Stellen in den Ausgangspolzustand vermieden und diese behalten ihre Polarisierung bei, bis ein neuerliches, diese etwa aufhebendes Schaltfeld angelegt wird.
Die in den Figuren 1 und 3 gezeigte optische Verzögerungsvorrichtung kann z. B. als Lichtverschluss mit einer EIN/AUS- oder 0 > - 1 -Funktion in der in Figur 1 gezeigten Anordnung Verwendung finden. Bei einer Elektroden- oder Elektrodengruppenanordnung auf einer Plattenfläche entsprechend der Figur 3 und einer Ausrichtung von Polarisator und Analysator in einem Winkel von 90" (f) = 90") ist der Verschluss geschlossen, wenn die optische Achse der Keramik mit der Pfeilrichtung 42 oder 46 parallel verläuft. Durch Anlegen eines elektrischen Felds an die entsprechende Elektrode wird die optische Achse in die Richtung 44 oder 48 geschaltet und der Verschluss geöffnet, und umgekehrt.
Die maximale Lichtdurchlässigkeit tritt ein, wenn die Verzögerung Q einer ganzen Zahl von Wellenlängen gleich ist.
Die optische Verzögerungsvorrichtung der Figur 1 kann auch zum Aufbau eines Zweiflächenverschlusses dienen. Sind die optischen Achsen beider Flächen an den Stellen 25, 25' in Richtung 36 oder 38 ausgerichtet, so ist der Verschluss geschlossen, und wird geöffnet, wenn die optische Achse einer Fläche senkrecht zur optischen Achse auf der anderen Fläche geschaltet wird, sowie durch Senkrechtschaltung der Stelle 25 oder 25' wiederum geschlossen. Bei dieser Elektrodenanordnung und Arbeitsweise kann die optische Verzögerungsvorrichtung 10 auch als optische Logikschaltung oder als logische ODER oder UND Schaltung dienen.
Wird eine senkrecht zu ihren Hauptflächen elektrisch polarisierte Keramikplatte mit einer für die örtliche Umschaltung parallel zu den Hauptflächen geeigneten Elektrodenanordnung versehen, so wird ebenfalls ein Verschluss, jedoch anderer Art, erhalten. Die Figur 4 zeigt eine Keramikplatte 90 mit einer hierzu geeigneten Elektrodenanordnung. Bei senkrecht einfallendem, linear polarisiertem Licht und einer orthogonal zur Lichteinfallsebene verlaufenden bevorzugten Übertra- gungsrichtung des Analysators 16 (QS = 900) ist der Verschluss geschlossen.
Beträgt die Verzögerung A durch entsprechende Einstellung der Plattendicke t und der Wellenlänge 20 eine ganze Zahl von Wellenlängen, und ist die Elektrodenanordnung derart, dass nach dem Umschalten p = 450, so kann der Verschluss durch Anlegen einer Schaltspannung an die Elektroden 91, 92 (entsprechend Elektroden 22, 24 in Fig. la) geöffnet werden. Er wird durch Spannungsbeaufschlagung geeigneter durchsichtiger Elektroden 93, 94 und Rückschaltung der Platte auf die senkrecht zu ihren Hauptflächen verlaufende Polarisierung entsprechend Pfeil 95 wieder geschlossen. Die Elektroden 91, 92 können durch Isolatoren 96, 97 gegen die Elektroden 93, 94 isoliert sein.
Die Elektrodenanordnung, z. B. entsprechend den Figuren 1, 3 oder 4, kann auf einer grösseren Keramikplatte 50 durch Niederschlag, Photoätzen oder dergleichen, zusammen mit den erforderlichen Anschlüssen als Matrizengruppe gemäss Figur 5 angebracht werden. In diesem Fall kann jede örtlich polarisierte Stelle, z. B. 25, zwischen den Elektroden 22, 24, 26, 28 in bekannter Weise durch Anlegen eines elektrischen Felds an das betreffende Adressatzeilenpaar adressiert werden. Die Matrizengruppe der Fig. 5 kann z. B. als Gedächtnisgruppe oder optische Sichtvorrichtung mit sehr enger, nur durch die Korngrösse begrenzte Zeilenbreite Verwendung finden.
Durch Anbringen entsprechender Elektrodenanordnungen oder der Anordnung gemäss Fig. 3 auf beiden Seiten kann die Matrizengruppe als x-y oder x-y-z adressierte Gedächtuismatrize mit 2, 4, 8, 16 oder mehr stabilen Zuständen pro Bitstelle dienen und besitzt sowohl eine für einen grossen Bereich von Zahl systemen verwendbare digitale wie auch analoge Spei cherfähigkeit.
Die Lichtintensität der polarisierten Lichtkomponente in der bevorzugten Übertragungsrichtung des Analysators 16 der Fig. 1 kann auch durch Änderung der
Plattendicke t beeinflusst werden. Entsprechend der obigen Formel (1) beeinflusst die Dickenänderung die
Lichtintensität auch durch linderung der Verzögerung sowie der Streuung durch die Platte.
Es sei angenom men, dass alle optischen Achsen einer keramischen
Platte 60 (Fig. 6) in einer bestimmten Richtung ausge richtet sind, und zwar vorzugsweise senkrecht zur Fort pflanzungsrichtung des einfallenden Lichts zur Erzie lung maximaler Doppelbrechung, sowie in einer nichtparallelen Richtung zu den bevorzugten tÇbertragungs- richtungen von Polarisator 14 und Analysator 16 der
Fig. 1, um für einen bestimmten Verzögerungswert t maximale Löschung zu erreichen. Bei dieser Sachlage verursacht eine Dickenänderung an jeder beliebigen
Stelle der Keramikplatte eine örtliche Änderung der
Verzögerung sowie der durch den Analysator gehenden
Lichtintensität. Die letztere kann durch eine photoemp findliche Vorrichtung 18, oder mehrere derselben in Matrizenanordnung, oder auch mit dem blossen Auge festgestellt werden.
Die Änderung der Plattendicke erfolgt durch stehen de oder wandernde Oberflächenwellen, die in geeigneter
Weise erzeugt werden, z. B. durch einen Signalgenera tor 62, kammförmige Ein- und Ausgabeelektroden 64,
66 und Ausgangsanschlüsse oder eine Belastung 68. Die
Oberflächenwellen, z. B. Wanderwellen 10 gemäss Fig. 7, wandern z. B. in Pfeilrichtung 71 entlang der Ober fläche der Platte 60, deren Dicke sich demgemäss ent sprechend dem vom Generator 62 erzeugten Signal, z. B. sinusförmig ändert. Die Elektroden 64, 66 werden auf der Platte 60 in bekannter Weise durch Nieder schlagen oder Plattieren angebracht.
Die Dickenänderung der Platte 60 kann gleichzeitig durch Erzeugung einer zweiten Wanderwelle auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte, z. B. vermittels des Generators 72 mit den entsprechenden Elektroden und der Belastung 78, erfolgen, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die erzeugte Oberflächenwelle 80 im rechten Winkel zur Welle 70 in Pfeilrichtung 81 wandert. Die gleichzeitig wandernden Oberflächenwellen 71 und 81 bewirken somit die horizontale und vertikale Abtastung der Keramikplatten. Durch Phasenänderung der durch die Generatoren 62 und 72 erzeugten Signale, z. B. vermittels des Phasenmodulators 82, kann in der Platte ein Muster oder Bild erzeugt und durch den Analysator 16 beobachtet werden.
Da die in der Platte 60 erzeugte Zeilenbreite nur von der Frequenz der Generatoren 62, 72 sowie dem Streuungswinkel der Oberflächenwelle abhängt, können sehr niedrige Zeilenbreiten, z. B. von ca. 5 ,u, erzielt werden.
Bei der entsprechend guten Auflösung kann das Muster oder Bild, im Rahmen der verfügbaren Intensität der Lichtquelle, sehr stark vergrössert werden. Eine Keramikplatte mit der Abmessung 2,54 X 2,54 cm kann z. B.
bei guter Auflösung mit 100facher Vergrösserung projiziert werden.
Die mit einer der Fig. 1 entsprechenden Anordnung gekoppelte Verzögerungsvorrichtung der Fig. 5 und 6 kann für die verschiedensten Bild- und Sichtgeräte, Ablesevorrichtungen für Rechner, wie auch Fernsehempfänger Verwendung finden. Eine Reihe oder Gruppe von Kammelektroden kann an Stelle der Elektroden 64, 66 treten und so ausgerichtet werden, dass auf der Plattenfläche verschiedene Wanderwellen entstehen, deren Phasenverhältnis zur verbesserten Bildregelung durch geeignete elektrische Bauteile verändert werden kann.