DE102007053666A1 - Arrangement for influencing an incident beam - Google Patents

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    • G02F1/1326—Liquid crystal optical waveguides or liquid crystal cells specially adapted for gating or modulating between optical waveguides

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordung zum Freigeben, Sperren oder Ändern der Ausbreitungsrichtung, zum Beeinflussen des Spektrums oder der Intensität durch Abspalten von Strahlungsanteilen oder zur Modulation der Phase oder der Amplitude eines Strahlenbündels (4) oder von Teilen davon. Die erfindungsgemäße Anordnung umfaßt: - ein optisches Element (1) aus einem transparenten Material mit einer bestimmten Brechzahl n1, - eine auf einen Oberflächenbereich des optischen Elementes (1) aufgetragene Schicht aus Flüssigkristallen, deren Brechzahl ni (i = 2...k) von der Größe einer an den Flüssigkristallen anliegenden elektrischen Spannung abhängig ist, und - eine Ansteuerschaltung zur Vorgabe von Spannungswerten, wobei - die Grenzfläche zwischen dem optischen Element (1) und der Flüssigkristallschicht (2) gegen die Einfallsrichtung des Strahlenbündels (4) um einen Winkel alpha geneigt ist, der im Bereich des Grenzwinkels der Totalreflexion liegt, und wobei - in Abhängigkeit von der vorgegebenen elektrischen Spannung - ni (i = 2) > n1 ist, so dass die Grenzschicht das Strahlenbündel (4) nicht reflektiert, oder - n1 (i = k) < n1 ist, so dass die Grenzschicht das Strahlenbündel (4) total reflektiert, oder - ni (i = 3...k-1) < n1 ist, so dass die Grenzschicht das Strahlenbündel (4) unvollständig reflektiert.The invention relates to an arrangement for enabling, blocking or changing the direction of propagation, for influencing the spectrum or intensity by splitting off radiation components or for modulating the phase or the amplitude of a radiation beam (4) or parts thereof. The arrangement according to the invention comprises: - an optical element (1) made of a transparent material having a specific refractive index n1, - a layer of liquid crystals applied to a surface region of the optical element (1) whose refractive index is ni (i = 2 ... k) is dependent on the magnitude of an electrical voltage applied to the liquid crystals, and - a drive circuit for specifying voltage values, wherein - the interface between the optical element (1) and the liquid crystal layer (2) against the direction of incidence of the beam (4) by an angle alpha is inclined, which is in the range of the critical angle of total reflection, and wherein - depending on the predetermined electrical voltage - ni (i = 2)> n1, so that the boundary layer does not reflect the beam (4), or - n1 ( i = k) <n1, so that the boundary layer totally reflects the beam (4), or - ni (i = 3 ... k-1) <n1, so that the boundary layer has the Beam (4) incompletely reflected.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Freigeben, Sperren oder Ändern der Ausbreitungsrichtung, zum Beeinflussen des Spektrums oder der Intensität durch Abspalten von Strahlungsanteilen oder zur Modulation der Phase oder der Amplitude des Strahlenbündels oder von Teilen davon.The The invention relates to an arrangement for releasing, locking or change the direction of propagation, for influencing the spectrum or the intensity by splitting off radiation components or for modulating the phase or the amplitude of the beam or parts of it.

Optische Mittel zur Beeinflussung eines elektromagnetischen Strahlenbündels in der vorstehend angegebenen Weise sind aus dem Stand der Technik an und für sich bekannt. So werden z. B. Strahlteiler verwendet, um von einem einfallenden Strahlenbündel Strahlungsanteile eines bestimmten Wellenlängenbereichs oder einer bestimmten Polarisationsrichtung abzuspalten.optical Means for influencing an electromagnetic radiation beam in The above-mentioned manner are known from the prior art and for known. So z. B. beam splitter used by a incident beam Radiation components of a specific wavelength range or a specific Split polarization direction.

Zur Modulation der Phase des Lichtes eines Strahlenbündels oder von Teilen davon werden adaptive optische Elemente etwa in Form von Spiegeln genutzt, bei denen die Geometrie der reflektierenden Fläche partiell verändert und damit die Reflexionsrichtung einzelner Strahlungsanteile beeinflußt wird.to Modulation of the phase of the light of a beam or parts thereof For example, adaptive optical elements are used in the form of mirrors. where the geometry of the reflective surface partially changed and so that the reflection direction of individual radiation components is affected.

Zum Ändern der Ausbreitungsrichtung eines Strahlenbündels dienen beispielsweise Reflektoren, und zum Freigeben oder Sperren der Ausbreitungsrichtung werden elektro-optische Schalter verwendet.To change the Propagation direction of a beam serve, for example Reflectors, and to enable or disable the propagation direction Electro-optical switches are used.

Ein elektro-optischer Schalter umfaßt beispielsweise einen Polarisator, ein elektro-optisches Element, z. B. eine Pockelszelle, und einen Spiegel. Die Pockelszelle besteht aus einem Kristall, der beim Anlegen einer Spannung doppelbrechend wird. Das Licht durchläuft zunächst den Polarisator so, dass die Polariationsebene des Lichtes unter 45° auf die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls trifft. Nachdem das Licht den Kristall durchlaufen hat, ist es zirkular polarisiert. Anschließend wird das Licht am Spiegel reflektiert. Danach ist die Drehrichtung des Lichtes nun entgegengesetzt zur ursprünglichen Drehrichtung orientiert. Durchläuft das Licht den doppelbrechenden Kristall jetzt erneut, so wird aus dem zirkular polarisierten wieder linear polarisiertes Licht, wobei die Polarisationsebene nun allerdings senkrecht auf der ursprünglichen Polarisationsebene steht. Das hat zur Folge, dass das Licht den Polarisator nicht passie ren kann: der Lichtweg ist gesperrt. Wird die Spannung am doppelbrechenden Kristall geändert, kann das Licht den Kristall ohne Änderung der Polarisationsrichtung und damit auch den Polarisator passieren.One electro-optical switch comprises for example, a polarizer, an electro-optical element, z. B. a Pockels cell, and a mirror. The Pockels cell exists from a crystal, which birefringent when applying a voltage becomes. The light goes through first the polarizer so that the polarization plane of the light below 45 ° the optical axis of the birefringent crystal strikes. After this the light has passed through the crystal, it is circularly polarized. Subsequently The light is reflected by the mirror. Thereafter, the direction of rotation of the Light now oriented opposite to the original direction of rotation. Traverses the light the birefringent crystal now again, so will out the circularly polarized again linearly polarized light, wherein the polarization plane, however, now perpendicular to the original Polarization level is. This has the consequence that the light the Polarizer can not pass: the light path is blocked. Becomes the voltage on the birefringent crystal changed, the light can change the crystal without changing the Polarization direction and thus also pass the polarizer.

Ein bisher noch nicht behobener Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass für die verschiedenen eingangs genannten Anwendungsfälle jeweils speziell zugeordnete optische Baugruppen oder Anordnungen erforderlich sind. Diese sind, wie insbesondere im Fall des elektro-optischen Schalters, in ihrem Aufbau verhältnismäßig kompliziert und damit kostenintensiv.One hitherto unresolved disadvantage of the prior art in that for the various applications mentioned above each specially assigned optical assemblies or arrangements are required. These are, as in particular in the case of the electro-optical switch, in their Construction relatively complicated and thus costly.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung anzugeben, die kostengünstig herstellbar und weitestgehend universell anwendbar ist.outgoing It is the object of the invention to provide an optical arrangement indicate that cost-effective can be produced and universally applicable as far as possible.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt:

  • – ein optisches Element aus einem transparenten Material mit einer bestimmten Brechzahl n1,
  • – eine auf einen Oberflächenbereich des optischen Elementes aufgetragene Schicht aus Flüssigkristallen, deren Brechzahl ni (i = 2 ... k) von der Größe einer an den Flüssigkristallen anliegenden elektrischen Spannung abhängig ist, und
  • – eine Ansteuerschaltung zur Vorgabe von Spannungswerten, wobei
  • – die Grenzfläche zwischen dem optischen Element und der Flüssigkristallschicht gegen die Einfallsrichtung des Strahlenbündels um einen Winkel α geneigt ist, der im Bereich des Grenzwinkels der Totalreflexion liegt, und wobei
  • – in Abhängigkeit von der vorgegebenen elektrischen Spannung – ni (i = 2) > n1 ist, so dass die Grenzschicht das Strahlenbündel nicht reflektiert, oder – ni (i = k) < n1 ist, so dass die Grenzschicht das Strahlenbündel total reflektiert, oder – ni (i = 3 ... k – 1) < n1 ist, so dass die Grenzschicht das Strahlenbündel unvollständig reflektiert.
The arrangement according to the invention for achieving this object comprises:
  • An optical element of a transparent material with a certain refractive index n 1 ,
  • A layer of liquid crystals applied to a surface region of the optical element whose refractive index n i (i = 2... K) is dependent on the magnitude of an electrical voltage applied to the liquid crystals, and
  • - A drive circuit for setting voltage values, wherein
  • - The interface between the optical element and the liquid crystal layer is inclined to the direction of incidence of the beam by an angle α, which is in the range of the critical angle of total reflection, and wherein
  • - is dependent on the predetermined electrical voltage - n i (i = 2)> n 1 , so that the boundary layer does not reflect the beam, or - n i (i = k) <n 1 , so that the boundary layer, the beam is totally reflected, or - n i (i = 3 ... k - 1) <n 1 , so that the boundary layer incompletely reflects the beam.

Es ist also prinzipiell vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der vorgegebenen elektrischen Spannung das Verhältnis der Brechzahl ni (i = 2 ... k) zur Brechzahl n1 einem Wert entspricht, bei dem der Grenzwinkel der Totalreflexion entweder größer oder kleiner ist als der Winkel α. Die Bezeichnung n1 sei im Sinne der Erfindung gleichbedeutend mit ni (i = 1).It is therefore provided in principle that, depending on the predetermined electrical voltage, the ratio of the refractive index n i (i = 2 ... k) to the refractive index n 1 corresponds to a value at which the critical angle of total reflection is either greater or less than that Angle α. The term n 1 is in the sense of the invention equivalent to n i (i = 1).

In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung liegt wahlweise ein erster Spannungswert an allen Flüssigkristallen a, bei welchem die Flüssigkristallschicht die Brechzahl ni (i = 2) hat, so dass aufgrund der sich dabei einstellenden vollständigen Totalreflexion die Grenzfläche das Strahlenbündel reflektiert, oder es liegt ein zweiter Spannungswert an allen Flüssigkristallen an, bei welchem die Flüssigkristallschicht die Brechzahl ni (i = k) hat, so dass das Strahlenbündel die Grenzfläche passiert.In a first embodiment of the arrangement according to the invention is optionally a first voltage value of all liquid crystals a, in which the liquid crystal layer has the refractive index n i (i = 2), so that due to the thereby adjusting complete total reflection, the interface reflects the beam, or it is a second voltage value on all the liquid crystals, in which the liquid crystal layer has the refractive index n i (i = k), so that the beam passes through the interface.

So ist die erfindungsgemäße Anordnung als Strahlteiler nutzbar. Die beiden Spannungswerte können erfindungsgemäß auch in vorgegebenen Zeitabständen einander abwechselnd anliegen, so dass dem an der Grenzfläche reflektierten bzw. auch dem transmittierten Strahlenbündel eine Frequenzmodulation aufgeprägt wird.Thus, the arrangement according to the invention can be used as a beam splitter. According to the invention, the two voltage values can also alternately lie alternately at predetermined time intervals, so that the frequency of the beam reflected at the interface or also that transmitted to the interface modulation is imposed.

In einer zweiten Ausgestaltung liegt wahlweise ein erster Spannungswert an allen Flüssigkristallen an, bei welchem die Flüssigkristallschicht die Brechzahl ni (i = k) hat, so dass das Strahlenbündel die Grenzfläche passiert, oder es liegt ein zweiter Spannungswert an allen Flüssigkristallen an, bei welchem die Flüssigkristallschicht die Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) hat, wobei aufgrund einer sich bei der Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) einstellenden unvollständigen Totalreflexion die Grenzfläche einen Anteil des Strahlenbündels reflektiert.In a second embodiment, optionally, a first voltage value is applied to all the liquid crystals in which the liquid crystal layer has the refractive index n i (i = k), so that the beam passes through the interface, or a second voltage value is applied to all the liquid crystals the liquid crystal layer has the refractive index n i (i = 3 ... k-1), wherein due to an incomplete total reflection occurring at the refractive index n i (i = 3 ... k-1), the interface reflects a portion of the radiation beam.

Alternativ dazu kann bei der zweiten Ausgestaltung auch vorgesehen sein, dass wahlweise ein erster Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegt, bei welchem die Flüssigkristallschicht die Brechzahl ni (i = 2) hat, so dass aufgrund der sich dabei einstellenden vollständigen Totalreflexion die Grenzfläche das Strahlenbündel total reflektiert, oder ein zweiter Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegt, bei welchem die Flüssigkristallschicht die Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) hat, wobei aufgrund einer sich bei der Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) einstellenden unvollständigen Totalreflexion die Grenzfläche einen Anteil des Strahlenbündels reflektiert.Alternatively, it can also be provided in the second embodiment that optionally a first voltage value is applied to all liquid crystals, in which the liquid crystal layer has the refractive index n i (i = 2), so that due to the resulting total total reflection, the boundary surface the beam total or a second voltage value is applied to all liquid crystals in which the liquid-crystal layer has the refractive index n i (i = 3... k-1), due to a refractive index n i (i = 3. 1) adjusting incomplete total reflection, the interface reflects a portion of the beam.

Bei der zweiten Ausgestaltungen kann alternativ auch vorgesehen sein, dass der zweite Spannungswert in einem vorgegebenen Wertebereich variabel ist, so dass aufgrund der sich in Abhängigkeit davon jeweils einstellenden unvollständigen Totalreflexion die Grenzfläche unterschiedliche Anteile des Strahlenbündels reflektiert. Auf diese Weise wird dem an der Grenzfläche reflektierten bzw. auch dem transmittierten Strahlenbündel eine Amplitudenmodulation aufgeprägt.at the second embodiments may alternatively be provided, that the second voltage value in a predetermined range of values is variable, so due to which depending on each setting incomplete Total reflection the interface reflects different portions of the beam. To this Way will that be at the interface reflected or the transmitted beam one Amplitude modulation impressed.

Mit der zweiten Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Anordnung als variabler Strahlteiler verwendbar.With In the second embodiment, the arrangement according to the invention is variable Beam splitter usable.

In einer dritten Ausgestaltung liegt ein erster Spannungswert an einer ersten Teilmenge der Flüssigkristalle an, so dass die Flüssigkristallschicht im Bereich der ersten Teilmenge die Brechzahl ni (i = 2) hat und aufgrund der sich dabei einstellenden vollständigen Totalreflexion die Grenzfläche den auf diesen Bereich treffenden Anteil des Strahlenbündels total reflektiert, während ein zweiter Spannungswert an einer zweiten Teilmenge der Flüssigkristalle anliegt, so dass die Flüssigkristallschicht im Bereich der zweiten Teilmenge die Brechzahl ni (i = k) hat und der auf diesen Bereich treffende Anteil des Strahlenbündels die Flüssigkristallschicht passiert.In a third embodiment, a first voltage value is applied to a first subset of the liquid crystals, so that the liquid crystal layer has the refractive index n i (i = 2) in the region of the first subset and, due to the resulting total total reflection, the interface hits that area Part of the beam totally reflected, while a second voltage value is applied to a second subset of the liquid crystals, so that the liquid crystal layer in the region of the second subset has the refractive index n i (i = k) and the portion of the beam striking this area passes through the liquid crystal layer.

Bezüglich der dritten Ausgestaltung kann die Ansteuerschaltung so ausgebildet sein, dass das Verhältnis der jeweils angesteuerten ersten Teilmenge an Flüssigkristallen zur angesteuerten zweiten Teilmenge variabel ist. Dadurch wird erreicht, dass je nach Ansteuerung unterschiedliche Anteile des Strahlenbündels, die die Grenzschicht passieren bzw. an der Grenzschicht reflektiert werden.Regarding the third embodiment, the drive circuit may be formed be that relationship the respectively controlled first subset of liquid crystals to the driven second subset is variable. This will accomplish that, depending on Driving different proportions of the beam, the pass the boundary layer or reflected at the boundary layer become.

Mit der dritten Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Anordnung als Blendeneinrichtung mit variabler Blendenöffnung verwendbar, da die jeweiligen Anteile des Strahlenbündels von der jeweils vorzugebenden geometrischen Form der Teilmengen der Flüssigkristalle auf dem optischen Element abhängig sind.With the third embodiment is the arrangement according to the invention as a diaphragm device with variable aperture usable, since the respective proportions of the beam of the respectively to be given geometric shape of the subsets of liquid Crystals depending on the optical element are.

Fällt ein Strahlenbündel aus polychromatischem Licht in die Anordnung ein, kann ein Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegen, bei dem die Flüssigkristallschicht eine Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) hat, bei welcher ein Anteil des Strahlenbündels mit einem ersten Wellenlängenbereich die Grenzfläche passiert, während die Grenzfläche einen Anteil des Strahlenbündels mit einem zweiten Wellenlängenbereich reflektiert. Damit steht die erfindungsgemäße Anordnung als Farbteiler zur Verfügung.If a beam of polychromatic light enters the array, a voltage value may be applied to all liquid crystals in which the liquid crystal layer has a refractive index n i (i = 3.. K -1) in which a portion of the radiation beam having a first wavelength range the interface passes while the interface reflects a portion of the beam having a second wavelength range. Thus, the arrangement according to the invention is available as a color divider.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist beispielsweise ausgelegt für Strahlenbündel des Wellenlängenbereiches von 1500 nm bis 1800 nm, bevorzugt von 250 nm bis 1670 nm.The inventive arrangement is designed for example ray beam of the wavelength range from 1500 nm to 1800 nm, preferably from 250 nm to 1670 nm.

Besonders bevorzugt befindet sich die Flüssigkristallschicht auf der Lichtaustrittsfläche des optischen Elementes. Von dem Erfindungsgedanken eingeschlossen ist aber auch die Anordnung der Flüssigkristallschicht auf der Lichteintrittsfläche, denn auch in diesem Fall kann ni (i = 2 ... k) in der Relation zu n1 wahlweise so vorgegeben werden, dass die Grenzschicht das Strahlenbündel nicht reflektiert, die Grenzschicht das Strahlenbündel total reflektiert, oder die Grenzschicht das Strahlenbündel unvollständig reflektiert.Particularly preferably, the liquid crystal layer is located on the light exit surface of the optical element. However, the arrangement of the liquid-crystal layer on the light-entry surface is also included in the concept of the invention, since in this case as well n i (i = 2... K) can optionally be specified in relation to n 1 such that the boundary layer does not reflect the radiation beam The boundary layer totally reflects the beam or the boundary layer reflects the beam incompletely.

Von Vorteil ist es auch, wenn auf die Lichteintrittsfläche und/oder die Lichtaustrittsfläche des optischen Elementes eine Antireflexionsschicht aufgebracht ist. Mit dieser Antireflexionsschicht wird erreicht, dass der reflektierte Strahlungsanteil in den Fällen bis gegen „null" reduziert ist, in denen das Strahlenbündel die Grenzschicht möglichst vollständig passieren soll.From It is also advantageous if on the light entry surface and / or the light exit surface of the optical element, an antireflection layer is applied. With this antireflection layer is achieved that the reflected Radiation share in cases is reduced to "zero", in which the bundle of rays the boundary layer as possible Completely should happen.

Des weiteren kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Lichtaustrittsfläche eben ausgeführt und parallel zur Lichteintrittsfläche ausgerichtet ist. So kommt als optisches Element beispielsweise eine Platte aus Glas, Kunststoff oder Quarzglas, bevorzugt aus Glas BK7 mit einer Brechzahl n1 = 1,5, in Betracht.Furthermore, it can be advantageously provided that the light exit surface is flat and aligned parallel to the light entry surface. Thus, as an optical element, for example, a plate made of glass, plastic or quartz glass, preferably made of glass BK7 with a refractive index n 1 = 1.5, into consideration.

Darüber hinaus liegt es aber auch im Rahmen der Erfindung, wenn die Lichtaustrittsfläche und/oder die Lichteintrittsfläche gekrümmt sind, und es ist denkbar, die Flüssigkristallschicht in platzsparender Weise auf die Oberfläche eines optischen Bauelementes aufzubringen, das ohnehin beispielsweise im Beleuchtungs- oder Abbildungsstrahlengang eines optischen Gerätes vorhanden ist. Es liegt demzufolge auch im Rahmen der Erfindung, die Flüssigkristallschicht auf eine entsprechend eines Hohlspiegels gekrümmte Fläche aufzubringen und erfindungsgemäß ni (i = 2 ... k) in der Relation zu n1 wahlweise so vorzugeben, dass die Grenzschicht das Strahlenbündel nicht reflektiert, die Grenzschicht das Strahlenbündel total reflektiert, oder die Grenzschicht das Strahlenbündel unvollständig reflektiert. Der Erfindungsgedanke beschränkt sich allerdings auch nicht eine derartige Krümmung, sondern schließt auch die Beschichtung jeder beliebig gekrümmte Freiformfläche wie auch sphärischer und asphärischer Flächen mit Flüssigkristallen und deren Ansteuerung wie beschrieben ein.In addition, it is also within the scope of the invention, when the light exit surface and / or the light entry surface are curved, and it is conceivable to apply the liquid crystal layer in a space-saving manner to the surface of an optical component, which in any case, for example, in the illumination or imaging beam path of an optical Device is present. Accordingly, it is also within the scope of the invention to apply the liquid-crystal layer to a curved surface corresponding to a concave mirror and, according to the invention, optionally specify n i (i = 2... K) in relation to n 1 such that the boundary layer does not reflect the radiation beam. the boundary layer totally reflects the beam, or the boundary layer incompletely reflects the beam. However, the inventive idea is not limited to such a curvature, but also includes the coating of any arbitrarily curved freeform surface as well as spherical and aspherical surfaces with liquid crystals and their control as described.

Bevorzugt ist die Grenzschicht zur Einfallsrichtung des Strahlenbündels so ausgerichtet, dass das reflektierte Strahlenbündel bzw. ein reflektierter Strahlungsanteil orthogonal zur Einfallsrichtung des Strahlenbündels orientiert ist. Andere Richtungen, in die eine Reflexion erfolgt, sind allerdings in den Erfindungsgedanken eingeschlossen. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass das optische Element mit einer Schwenkeinrichtung zur Variation des Winkels α verbunden ist, um in Abhängigkeit von einer Änderung des Winkels α die Reflexionsrichtung zu variieren.Prefers is the boundary layer to the direction of incidence of the beam so aligned, that the reflected beam or a reflected radiation component orthogonal to the direction of incidence of the beam is oriented. Other However, directions in which reflection takes place are in the Inventive concept included. That's the way it is, for example conceivable that the optical element with a pivoting device connected to the variation of the angle α is to depend on from a change the angle α the Reflection direction to vary.

Als Flüssigkristalle werden nematische Flüssigkristalle verwendet, bei denen die Flüssigkristallschicht je nach Ansteuerung beispielsweise Brechzahlen ni im Bereich n2 = 1,3 bis nk = 2,0 hat. In Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung ändern nematische Flüssigkristalle ihre Ausrichtung relativ zur Einfallsrichtung des Strahlenbündels, wodurch sich die Brechzahl ni (i = 2 ... k) der Flüssigkristallschicht ändert.As liquid crystals nematic liquid crystals are used in which the liquid crystal layer depending on the control, for example, refractive indices n i in the range 2 n = 1.3 has to n k = 2.0. As a function of the applied electrical voltage, nematic liquid crystals change their orientation relative to the direction of incidence of the beam, which changes the refractive index n i (i = 2... K) of the liquid crystal layer.

Mit der Änderung der Ausrichtung der Flüssigkristalle in Abhängigkeit von der Variation der elektrischen Spannung und der damit einhergehenden Änderung der Brechzahl der Flüssigkristallschicht wird auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit des durch die Flüssigkristallschicht hindurchtretenden Strahlenbündels bzw. eines hindurchtretenden Strahlungsanteils geändert. So liegt es im Rahmen der Erfindung, die Ansteuerschaltung so auszulegen, dass mit der Vorgabe eines bestimmten Spannungswertes für ausgewählte Teilmengen der Flüssigkristalle die Ausbreitung des Strahlungsanteils verzögert wird, der durch die Flüssigkristallschicht im Bereich dieser Flüssigkristalle hindurchtritt.With the change the orientation of the liquid crystals dependent on from the variation of the electrical voltage and the concomitant change the refractive index of the liquid crystal layer becomes also the speed of propagation through the liquid crystal layer passing beam or a passing radiation component changed. So it is within the scope of the invention to design the drive circuit so that with the specification of a certain voltage value for selected subsets the liquid crystals the propagation of the radiation component is delayed by the liquid crystal layer in the range of these liquid crystals passes.

Ist die Vorgabe dieses Spannungswertes und auch die in dieser Weise angesteuerte Teilmenge der Flüssigkristalle bzw. eines ausgewählten Bereiches der Flüssigkristallschicht variabel, wird damit die Phase bzw. die Wellenfront des durch diesen Bereich hindurchtretenden Strahlungsanteils im Vergleich zu dem übrigen Strahlungsanteil verzögert. Damit steht die erfindungsgemäße Anordnung zur Verwendung als adaptive optische Baugruppe zur Verfügung und kann zur Modulation der Phase oder der Amplitude des Strahlenbündels oder von Teilen davon verwendet werden.is the specification of this voltage value and also in this way controlled subset of liquid crystals or a selected one Area of the liquid crystal layer variable, so that the phase or the wavefront of the through this Area passing radiation portion compared to the remaining radiation fraction delayed. In order to is the arrangement of the invention available for use as an adaptive optical assembly and can be used to modulate the phase or amplitude of the beam or be used by parts thereof.

Werden im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung Flüssigkristalle verwendet, bei denen sich die Brechzahl der Flüssigkristallschicht mit der Variation der vorgegebenen Spannungswerte nur in Bezug auf eine Polarisationsrichtung des hindurchtretenden Lichtes ändert, ist die erfindungsgemäße Anordnung optional mit einem oder mehreren Polarisationsfiltern ausgestattet. Die Polarisationsfilter sind in den Strahlengang eingeordnet, um die Polarisation des Lichtes den Polarisationseigenschaften der Flüssigkristallschicht anzupassen und dadurch Strahlungs- bzw. Intensitätsverluste zu vermeiden oder zumindest zu verringern.Become in connection with the arrangement according to the invention liquid crystals used, in which the refractive index of the liquid crystal layer with the Variation of the given voltage values only in relation to one Polarization direction of the passing light changes is the inventive arrangement optionally equipped with one or more polarizing filters. The polarizing filters are arranged in the beam path to the polarization of the light the polarization properties of liquid crystal layer and thereby avoid radiation or intensity losses or at least reduce it.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in the specified combinations, but also in others Combinations or stand alone, without the frame to leave the present invention.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, die auch weitere erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:following The invention is based on embodiments that also disclose further essential features of the invention, explained in more detail. In the associated Drawings show:

1 das Prinzip der erfindungsgemäßen Anordnung in einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 the principle of the arrangement according to the invention in a first embodiment,

2 ein Ausführungsbeispiel mit mehreren in Einfallsrichtung eines Strahlenbündels hintereinander angeordneten erfindungsgemäßen Anordnungen, 2 an embodiment with a plurality of successively arranged in the direction of arrival of a radiation beam according to the invention arrangements,

3 ein Beispiel zur Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als fester oder variabler Strahlteiler, 3 an example of the use of the arrangement according to the invention as a fixed or variable beam splitter,

4 ein Beispiel zur Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Blendeneinrichtung mit fester oder variabler Blendenöffnung, 4 an example of the use of the arrangement according to the invention as a diaphragm device with fixed or variable aperture,

5 ein Beispiel zur Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als fester oder variabler Farbteiler, 5 an example of the use of the arrangement according to the invention as a fixed or variable color divider,

6 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit wellenlängenabhängiger Reflexionsrichtung. 6 an embodiment of the invention to the invention arrangement with wavelength-dependent reflection direction.

In dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 sind ein optisches Element 1 in Form einer planparallelen Glasplatte, die beispielsweise aus Glas BK7 mit einer Brechzahl n1 = 1,5 besteht, sowie eine Flüssigkristallschicht 2 dargestellt, die sich auf der Oberfläche des optischen Elementes 1 befindet.In the first embodiment according to 1 are an optical element 1 in the form of a plane-parallel glass plate, which consists for example of glass BK7 with a refractive index n 1 = 1.5, and a liquid crystal layer 2 shown on the surface of the optical element 1 located.

Die Flüssigkristallschicht besteht aus nematischen Flüssigkristallen. Es ist bekannt, dass diese Flüssigkristalle in Abhängigkeit von einer an die Flüssigkristallschicht 2 angelegten elektrischen Spannung ihre Ausrichtung im Raum ändern, wodurch die Brechzahl ni der an sich transparenten Flüssigkristallschicht 2 beeinflußt wird. Für das hier gewählte Beispiel sei angenommen, dass die Flüssigkristallschicht 2 bei einer anliegenden elektrischen Spannung mit Werten im Bereich von 0 Volt bis 5 Volt eine Brechzahl im Bereich von ni = 1,3 bis 2,0 aufweist.The liquid crystal layer consists of nematic liquid crystals. It is known that these liquid crystals depend on one of the liquid crystal layer 2 applied voltage change their orientation in space, whereby the refractive index n i of the per se transparent liquid crystal layer 2 being affected. For the example chosen here, it is assumed that the liquid crystal layer 2 at an applied voltage with values in the range of 0 volts to 5 volts has a refractive index in the range of n i = 1.3 to 2.0.

Erfolgt mittels einer Ansteuerschaltung 3 die Vorgabe eines Spannungswertes von U1 = 5 V, hat die die Flüssigkristallschicht 2 die Brechzahl ni = 2,0. Wird der Spannungswert auf eine elektrische Spannung von U2 = 0 V geändert, stellt sich in der Flüssigkristallschicht 2 die Brechzahl ni = 1,3 ein.Is done by means of a drive circuit 3 the specification of a voltage value of U 1 = 5 V, which has the liquid crystal layer 2 the refractive index n i = 2.0. When the voltage value is changed to an electric voltage of U 2 = 0 V, it is in the liquid crystal layer 2 the refractive index n i = 1.3.

Die Grenzschicht zwischen dem optischen Element 1 und der Flüssigkristallschicht 2 ist um einen Winkel α, der im Bereich des Grenzwinkels der Totalreflexion liegt, gegen die Einfallsrichtung eines Strahlenbündels 4 geneigt.The boundary layer between the optical element 1 and the liquid crystal layer 2 is at an angle α, which is in the range of the critical angle of total reflection, against the direction of incidence of a beam 4 inclined.

Liegt mittels der Ansteuerschaltung 3 der Spannungswert U1 = 5 V an der Flüssigkristallschicht 2 an, ist ni > n1, was zur Folge hat, dass das Strahlenbündel 4 aus dem optisch weniger dichten Glas BK7 in die optisch dichtere Flüssigkristallschicht 2 eintritt, so dass dem Brechungsgesetz zufolge das Strahlenbündel 4 an der Grenzfläche nicht total reflektiert wird.Lies by means of the drive circuit 3 the voltage value U 1 = 5 V on the liquid crystal layer 2 on, n i > n 1 , which has the consequence that the ray bundle 4 from the optically less dense glass BK7 into the optically denser liquid crystal layer 2 occurs, so that according to the law of refraction the beam 4 is not totally reflected at the interface.

Wird dagegen mittels der Ansteuerschaltung 3 die an der Flüssigkristallschicht 2 anliegende elektrische Spannung geändert in U2 = 0 V, wird ni < n1, woraus folgt, dass das Strahlenbündel 4 aus dem optisch dichteren Glas BK7 in die nun optisch weniger dichte Flüssigkristallschicht 2 eintritt, wodurch dem Brechungsgesetz zufolge das Strahlenbündel 4 an der Grenzfläche zwischen dem optischen Element 1 und der Flüssigkristallschicht 2 total reflektiert wird.In contrast, by means of the drive circuit 3 those on the liquid crystal layer 2 applied voltage changed in U 2 = 0 V, n i <n 1 , which implies that the beam 4 from the optically denser glass BK7 in the now optically less dense liquid crystal layer 2 enters, whereby the beam of rays, according to the law of refraction 4 at the interface between the optical element 1 and the liquid crystal layer 2 is totally reflected.

In 1 zeigen 1a den ersten Schaltzustand, bei welchem die elektrische Spannung U1 an der Flüssigkristallschicht 2 anliegt, so dass das Strahlenbündel 4 in der ursprünglichen Einfallsrichtung weiter verläuft, während in der Darstellung nach 1b die elektrische Spannung U2 an der Flüssigkristallschicht 2 anliegt und das Strahlenbündel 4 an der Flüssigkristallschicht 2 total reflektiert und dabei im wesentlichen rechtwinklig zur Einfallsrichtung abgelenkt wird. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Anordnung als optischer Schalter verwendet werden.In 1 demonstrate 1a the first switching state, in which the electrical voltage U 1 to the liquid crystal layer 2 is applied, so that the beam 4 continues in the original direction of incidence, while in the illustration according to 1b the electrical voltage U 2 on the liquid crystal layer 2 abuts and the beam 4 on the liquid crystal layer 2 totally reflected and thereby deflected substantially at right angles to the direction of incidence. In this way, the arrangement according to the invention can be used as an optical switch.

In einer besonderen Ausgestaltung dieses ersten Ausführungsbeispieles kann auf der Lichteintrittsfläche 5 des optischen Elementes 1 und/oder auch auf dessen Lichtaustrittsfläche zwischen dem optischen Element 1 und der Flüssigkristallschicht 2 eine Antireflexionsbeschichtung vorhanden sein. Damit wird erreicht dass im Schaltzustand nach 1a möglichst keine Strah lungsanteile am optischen Element 1 reflektiert werden und so mit der erfindungsgemäßen Anordnung ein Schalter für die Schaltzustände "An/Aus" bzw. "0/1" zur Verfügung steht.In a particular embodiment of this first embodiment may on the light entry surface 5 of the optical element 1 and / or on the light exit surface between the optical element 1 and the liquid crystal layer 2 an antireflection coating may be present. This ensures that in the switching state after 1a as far as possible no radiation components on the optical element 1 be reflected and so with the inventive arrangement, a switch for the switching states "on / off" or "0/1" is available.

Werden, wie in einem zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 dargestellt, mehrere optische Elemente 1.1, 1.2 und 1.3 jeweils mit Flüssigkristallschichten 2.1, 2.2 und 2.3 versehen und in Einfallsrichtung des Strahlenbündels 4 in Reihe hintereinander angeordnet (vgl. 2a), so kann in der vorbeschriebenen Weise das Strahlenbündel 4 je nach Ansteuerung der einzelnen Flüssigkristallschichten 2.1, 2.2 oder 2.3 wahlweise mit der elektrischen Spannung U1 oder U2 in die Richtungen R1, R2, oder R3 abgelenkt werden oder, sofern an jeder Flüssigkristallschicht 2.1, 2.2, 2.3 der Spannungswert U1 anliegt, das Strahlenbündel 4 in der Einfallsrichtung weiter verlaufen.Will, as in a second embodiment after 2 shown, several optical elements 1.1 . 1.2 and 1.3 each with liquid crystal layers 2.1 . 2.2 and 2.3 provided and in the direction of incidence of the beam 4 arranged in series one behind the other (cf. 2a ), so in the manner described above, the beam 4 depending on the activation of the individual liquid crystal layers 2.1 . 2.2 or 2.3 optionally with the voltage U 1 or U 2 in the directions R1, R2, or R3 are deflected or, if at each liquid crystal layer 2.1 . 2.2 . 2.3 the voltage value U 1 is applied, the beam 4 continue in the direction of arrival.

Dabei ist die Anzahl der hintereinander angeordneten optischen Elemente 1 und Flüssigkristallschichten 2 nicht an die in 2a beispielhaft gezeigte Anzahl und auch nicht an die dort dargestellte Ausrichtung relativ zur Einfallsrichtung des Strahlenbündels gebunden, wie anhand der Gestaltungsvariante nach 2b gezeigt. Die Vorgabe der Spannungswerte U1 oder U2 erfolgt hier jeweils wie bereits in 1 dargestellt vermittels der Ansteuerschaltung 3, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit zeichnerisch nicht dargestellt ist.In this case, the number of successively arranged optical elements 1 and liquid crystal layers 2 not to the in 2a shown number and also not bound to the orientation shown there relative to the direction of incidence of the beam, as based on the design variant according to 2 B shown. The specification of the voltage values U 1 or U 2 takes place here as already in 1 represented by means of the drive circuit 3 , which is not shown here graphically for reasons of clarity.

Das Ausführungsbeispiel nach 3 geht davon aus, dass die Größe des durch die Flüssigkristallschicht 2 transmittierten Anteils des Strahlenbündels 4 eine Funktion der Güte der Flüssigkristalle und der Brechzahländerung der Flüssigkristallschicht 2 ist. Mit anderen Worten: Wird das Verhältnis von ni zu n1 durch entsprechend angelegte Spannungswerte im Bereich von U1 bis U2 kontinuierlich geändert, stellen sich Brechzahlen ni ein, bei denen die Grenzfläche zwischen dem optischen Element 1 und der Flüssigkristallschicht 2 das Strahlenbündel 4 unvollständig reflektiert.The embodiment according to 3 assumes that the size of the through the liquid crystal layer 2 transmitted portion of the beam 4 a function of the quality of the liquid crystals and the refractive index change of the liquid crystal layer 2 is. In other words: If the ratio of n to n i 1 by correspondingly applied voltage values in the range from U 1 to U 2 is continuously changed, to provide refractive indices n i a, in which the interface between the optical element 1 and the liquid crystal layer 2 the beam of light 4 incompletely reflected.

So läßt sich, wie in 3a dargestellt, ein Spannungswert U3 vorgeben, bei dem ein Anteil von 30% des Strahlenbündels in die Richtung R1 reflektiert wird, während der übrige Anteil von 70% in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 4 weiter verläuft.So can, as in 3a shown, a Specify voltage U 3 , in which a proportion of 30% of the beam is reflected in the direction of R1, while the remaining portion of 70% in the original propagation direction of the beam 4 continues.

In vergleichbarer Weise läßt sich, wie in 3b dargestellt, mittels eines Spannungswertes U4 eine Brechzahl ni in der Flüssigkristallschicht 2 einstellen, bei welcher von dem einfallenden Strahlenbündel 4 ein Anteil von 70% in die Richtung R1 reflektiert wird, während der übrige Anteil von 30% in der ursprünglichen Richtung des Strahlenbündels 4 weiter verläuft.In a similar way, as in 3b represented by means of a voltage value U 4, a refractive index n i in the liquid crystal layer 2 at which of the incident beam 4 a proportion of 70% is reflected in the direction R1, while the remaining portion of 30% is reflected in the original direction of the beam 4 continues.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welchem die Flüssigkristallschicht 2 in einen ersten Teilbereich 2.1 und in einen zweiten Teilbereich 2.2 aufgeteilt ist. Dabei können beide Teilbereiche 2.1 und 2.2 in der Koordinate senkrecht zur Zeichenebene unterschiedlich ausgedehnt sein, so dass sie mit Blick in Einfallsrichtung des Strahlenbündels 4 mit unterschiedlichen geometrischen Umrissen ausgeführt sein können. Für das hier gewählte Ausführungsbeispiel sei angenommen, der Teilbereich 2.1 bedecke einen elliptischen Abschnitt der Lichtaustrittsfläche des optischen Elementes 1, der Teilbereich 2.2 einen Abschnitt der Lichtaustrittfläche in Form eines elliptischen Ringes. 4 shows an embodiment of the inventive arrangement in which the liquid crystal layer 2 into a first subarea 2.1 and in a second subarea 2.2 is divided. Both subareas can be used 2.1 and 2.2 be extended differently in the coordinate perpendicular to the plane of the drawing so that they look in the direction of incidence of the beam 4 can be executed with different geometric outlines. For the exemplary embodiment chosen here, it is assumed that the subarea 2.1 Cover an elliptical section of the light exit surface of the optical element 1 , the subarea 2.2 a portion of the light exit surface in the form of an elliptical ring.

Beide Teilbereiche 2.1 und 2.2 sind gesondert mit einer Ansteuerschaltung 3 verbunden. Wird von der Ansteuerschaltung an beide Teilbereiche 2.1 und 2.2, wie in 4a dargestellt, der Spannungswert U1 angelegt (vgl. Ausführungsbeispiel nach 1), treten alle Anteile des Strahlenbündels 4 durch die erfindungsgemäße Anordnung hindurch und behalten ihre Ausbreitungsrichtung bei.Both sections 2.1 and 2.2 are separate with a drive circuit 3 connected. Is from the drive circuit to both sections 2.1 and 2.2 , as in 4a shown, the voltage value U 1 applied (see 1 ), all parts of the beam occur 4 through the inventive arrangement and maintain their direction of propagation at.

Liegt dagegen, wie beispielhaft in 4b gezeigt nur am Teilbereich 2.2 der Spannungswert U1 an, behält der auf diesen Teilbereich treffende Anteil des Strahlenbündels 4 seine Richtung bei, während der übrige Anteil des Strahlenbündels 4, der auf den Teilbereich 2.1 trifft und an dem der Spannungswert U2 anliegt, abgelenkt wird. Aufgrund der Neigung des elliptischen Teilbereichs 2.1 gegen die Einfallsrichtung des Strahlenbündels 4 hat der hindurchtretende Anteil des Strahlenbündels 4 einen kreisrunden Querschnitt.Is against it, as exemplarily in 4b shown only at the subarea 2.2 the voltage value U 1 , retains the portion of the radiation beam which strikes this partial area 4 its direction while the rest of the beam 4 that is on the subarea 2.1 meets and at which the voltage value U 2 is applied, is deflected. Due to the inclination of the elliptical portion 2.1 against the direction of incidence of the beam 4 has the passing portion of the beam 4 a circular cross-section.

4c zeigt die umgekehrte Gestaltungsvariante, wonach der Anteil des Strahlenbündels 4, der auf den Teilbereich 2.2 trifft, reflektiert bzw. abgelenkt wird, da hier der Spannungswert U2 anliegt, während die auf den Teilbereich 2.1 treffenden Strahlungsanteile ihre Ausbreitungsrichtung beibehalten und dabei einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisen. 4c shows the reverse design variant, according to which the proportion of the beam 4 that is on the subarea 2.2 meets, is reflected or deflected, since here the voltage value U 2 is present, while the voltage applied to the subrange 2.1 meeting radiation components maintain their propagation direction and thereby have a circular cross-section.

Auf diese Weise steht mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Blendenanordnung mit variabler Blende zur Verfügung. Selbstverständlich ist es auch hier in vergleichbarer Weise mit dem dritten Ausführungsbeispiel denkbar, dass anstelle des Spannungswertes U2, der die vollständige Transmission des betreffenden Strahlungsanteils ermöglicht, ein Spannungswert U3, U4 oder auch ein anderer Spannungswert anliegt, so dass jeweils 30%, 70% oder auch ein anderer Anteil den entsprechenden Bereich der Flüssigkristallschicht 2 passieren kann.In this way, with the inventive arrangement is a diaphragm arrangement with variable aperture available. Of course, it is also conceivable in a comparable manner with the third embodiment, that instead of the voltage value U 2 , which allows the complete transmission of the relevant radiation component, a voltage value U 3 , U 4 or another voltage value is applied, so that in each case 30%, 70% or another proportion of the corresponding area of the liquid crystal layer 2 can happen.

Ein viertes Ausgestaltungsbeispiel zeigt 5. Hierbei wird davon ausgegangen, dass es für unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Strahlenbündels 4 verschiedene Grenzwinkel der Totalreflexion gibt. Da, wie bereits dargelegt, die Bedingung für die Totalreflexion mittels der an der Flüssigkristallschicht 2 anliegenden Spannungswerte beeinflußt werden kann, lassen sich auch Spannungswerte finden, bei denen die Brechzahl ni der Flüssigkristallschicht 2 im Verhältnis zur Brechzahl n1 des optischen Elementes 1 Werte annimmt, bei denen bestimmte Wellenlängenbereiche eines einfallenden Strahlenbündels 4 aus polychromatischem Licht an der Grenzfläche zwischen dem optischen Element 1 und der Flüssigkristallschicht 2 total reflek tiert werden, während andere Wellenlängenbereiche die Grenzschicht in der ursprünglichen Verlaufsrichtung passieren.A fourth embodiment shows 5 , It is assumed that it is for different wavelengths of the incident beam 4 different critical angles of total reflection are. Since, as already stated, the condition for the total reflection by means of the liquid crystal layer 2 Voltage values can be found, in which the refractive index n i of the liquid crystal layer 2 in relation to the refractive index n 1 of the optical element 1 Assumes values at which certain wavelength ranges of an incident beam 4 of polychromatic light at the interface between the optical element 1 and the liquid crystal layer 2 totally reflected, while other wavelength ranges pass through the boundary layer in the original direction.

So zeigt 5a einen ersten Schaltzustand, bei dem an der Flüssigkristallschicht 2 der Spannungswert U1 anliegt, so dass das Strahlenbündel 4 aus polychromatischem Licht die erfindungsgemäße Anordnung in gleichbleibender Verlaufsrichtung passiert.So shows 5a a first switching state in which at the liquid crystal layer 2 the voltage value U 1 is applied so that the beam 4 from polychromatic light, the arrangement according to the invention happens in the same direction.

In 5b hingegen liegt an der Flüssigkristallschicht 2 ein Spannungswert U5 an, bei dem sich eine Brechzahl ni einstellt, die dafür sorgt, dass lediglich die Anteile des Strahlenbündels 4 ihre ursprüngliche Verlaufsrichtung beibehalten, die den Wellenlängen von blauem und grünem Licht entsprechen, während die Anteile des Strahlenbündels 4 mit Wellenlängen des roten und gelben Lichts an der Grenzschicht reflektiert bzw. abgelenkt werden.In 5b on the other hand, is due to the liquid crystal layer 2 a voltage value U 5 at which a refractive index n i sets, which ensures that only the portions of the beam 4 maintain their original course, which correspond to the wavelengths of blue and green light, while the proportions of the beam 4 be reflected or deflected with wavelengths of the red and yellow light at the boundary layer.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das von dem Schaltzustand nach 5b ausgeht. Hierbei ist die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Schwenkvorrichtung 6 gekoppelt, die eine Schwenkbewegung um eine Drehachse 7 innerhalb eines Winkelbereiches β ermöglicht. 6 shows a further embodiment of the switching state after 5b emanates. Here, the arrangement according to the invention with a pivoting device 6 coupled, which pivot about an axis of rotation 7 within an angular range β allows.

Mit dieser Schwenkbewegung ist im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsbeispielen die Ablenkrichtung R1 variabel. So ist beispielsweise eine Variation in den Ablenkrichtungen R1.1, R1.2 und R1.3 denkbar. Zu diesem Zweck ist die Schwenkvorrichtung 6 mit einem Antrieb 8 verbunden, der wiederum mit der Ansteuerschaltung 3 in Verbindung steht. Des weiteren ist der Antrieb 8 mit einer Meßeinrichtung für den Schwenkwinkel (zeichnerisch nicht dargestellt) verbunden.With this pivoting movement, in contrast to the previous embodiments, the deflection direction R1 is variable. For example, a variation in the deflection directions R1.1, R1.2 and R1.3 is conceivable. For this purpose, the swivel device 6 with a drive 8th verbun the, in turn, with the drive circuit 3 communicates. Furthermore, the drive 8th connected to a measuring device for the swivel angle (not shown in the drawing).

Mit dieser Anordnung wird erfindungsgemäß dem Schwenkwinkel innerhalb des Schwenkwinkelbereiches β, der jeweils einer der Ablenkrichtungen R1.1, R1.2 und R1.3 entspricht, ein bestimmter Spannungswert U zugeordnet, der stets beim Erreichen dieses Schwenkwinkels an der Flüssigkristallschicht 2 anliegt.With this arrangement, according to the invention, the pivoting angle within the swivel angle range β, which corresponds in each case to one of the deflection directions R1.1, R1.2 and R1.3, is assigned a specific voltage value U, which always occurs when this swivel angle is reached at the liquid crystal layer 2 is applied.

Auf diese Weise ist beispielhaft der Ablenkrichtung R1.1 ein gesonderter Spannungswert U zugeordnet, bei dem beispielsweise Strahlungsanteile der Wellenlänge "Rot" an der Grenzfläche zwischen dem optischen Element 1 und der Flüssigkristallschicht 2 reflektiert werden, bei der Ablenkrichtung R1.2 werden in entsprechender Weise Strahlungsanteile der Wellenlänge "Grün" reflektiert, und in Richtung R1.3 werden Strahlungsanteile der Wellenlänge "Blau" abgelenkt. Damit lassen sich den einzelnen Ablenkrichtungen R1.1, R1.2 und R1.3 unterschiedliche Farben zuordnen.In this way, by way of example, the deflecting direction R1.1 is assigned a separate voltage value U, in which, for example, radiation components of the wavelength "red" at the interface between the optical element 1 and the liquid crystal layer 2 In the deflection direction R1.2, radiation components of the wavelength "green" are reflected in a corresponding manner, and in the direction of R1.3, radiation components of the wavelength "blue" are deflected. Thus, the individual deflection directions R1.1, R1.2 and R1.3 can be assigned different colors.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach 5 und 6 steht somit ein variabel ansteuerbarer Farbfilter zur Verfügung.With the inventive arrangement according to 5 and 6 Thus, a variably controllable color filter is available.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhaft auch zur Erzeugung von farbigem Licht und bei Bedarf auch zur Variation der Lichtfarbe verwendbar. Dies wird beispielsweise erzielt, indem drei der anhand 5 erläuterten erfindungsgemäßen Anordnungen nebeneinander positioniert werden. Auf alle drei Anordnungen ist polychromatisches Licht gerichtet. Dabei reflektiert, wie in 5b gezeigt, in Abhängigkeit von dem jeweils an den Flüssigkristallen anliegenden Spannungswert U5 die Flüssigkristallschicht bei einer ersten Anordnung rotes Licht, bei einer zweiten Anordnung grünes Licht und an der dritten Anordnung blaues Licht.The arrangement according to the invention can also be advantageously used for producing colored light and, if necessary, also for varying the light color. This is achieved, for example, by using three of the 5 explained inventive arrangements are positioned side by side. All three arrangements are directed to polychromatic light. It reflects, as in 5b shown, depending on the voltage applied to the respective liquid crystal voltage value U 5, the liquid crystal layer in a first arrangement of red light, in a second arrangement, green light and on the third arrangement blue light.

Bei jeder dieser drei Anordnungen sind Mittel zur Einkopplung des reflektierten Lichtes in optische Fasern vorgesehen. In den optischen Fasern erfolgt die Lichtleitung zu einem Faserkoppler, in dem das Licht der drei Farben rot, grün und blau zusammengeführt wird, so dass die drei Farben überlagert werden und am Ausgang des Faserkopplers eine Mischfarbe zur Auskopplung verfügbar ist.at Each of these three arrangements are means for coupling the reflected Light provided in optical fibers. In the optical fibers, the Light pipe to a fiber coupler, in which the light of the three colors Red Green and blue merged is superimposed so that the three colors and at the output of the fiber coupler a mixed color for decoupling available is.

Wird nun durch Variation des Spannungswertes bei mindestens einer der Anordnungen die Amplitude des reflektierten Lichtes moduliert, ändert sich die Mischfarbe.Becomes now by varying the voltage value in at least one of Arrangements modulates the amplitude of the reflected light changes the mixed color.

Auch das in 6 vorgeschlagene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist zur Erzeugung von farbigem Licht und zur Variation einer Mischfarbe geeignet. Dabei ist die Einkopplung des in jeweils gesonderte Richtungen abgelenkten roten, grünen und blauen Lichtes wiederum in optische Fasern vorgesehen, in denen die Fortleitung des Lichtes zu einem Faserkoppler erfolgt. Im Faserkoppler wird wiederum das Licht der drei Farben rot, grün und blau zusammengeführt, so dass die drei Farben überlagert werden und am Ausgang des Faserkopplers die Mischfarbe verfügbar ist. Die Änderung der Mischfarbe erfolgt durch Variation des Spannungswertes bezüglich mindestens einer der Farben Rot, Grün und Blau, so dass Amplitude des Lichtes dieser Farbe moduliert wird.Also in 6 proposed embodiment of the arrangement according to the invention is suitable for the production of colored light and for the variation of a mixed color. The coupling of the deflected in each separate directions red, green and blue light is again provided in optical fibers, in which the transmission of light to a fiber coupler. In the fiber coupler, in turn, the light of the three colors red, green and blue are brought together so that the three colors are superimposed and the mixed color is available at the output of the fiber coupler. The change of the mixed color is effected by varying the voltage value with respect to at least one of the colors red, green and blue, so that the amplitude of the light of this color is modulated.

1, 1.1, 1.2, 1.31, 1.1, 1.2, 1.3
optisches Elementoptical element
2, 2.1, 2.2, 2.32, 2.1, 2.2, 2.3
Flüssigkristallschichtliquid crystal layer
33
Ansteuerschaltungdrive circuit
44
Strahlenbündelray beam
55
LichteintrittsflächeLight entry surface
66
Schwenkvorrichtungswivel device
77
Drehachseaxis of rotation
88th
Antriebdrive
ni, n1 n i , n 1
Brechzahlenrefractive indices
R1, R2, R3R1, R2, R3
Richtungendirections
R1.1, R1.2, R1.3R1.1, R1.2, R1.3
Richtungendirections
U1, U2, U3, U4, U5 U 1 , U 2 , U 3 , U 4 , U 5
Spannungswertevoltage values
αα
Winkelangle
ββ
SchwenkwinkelbereichPivot angle range

Claims (23)

Anordnung zum Beeinflussen eines einfallenden Strahlenbündels (4), umfassend: – ein optisches Element (1) aus einem transparenten Material mit einer bestimmten Brechzahl n1, – eine auf einen Oberflächenbereich des optischen Elementes (1) aufgetragene Schicht aus Flüssigkristallen, deren Brechzahl ni (i = 2 ... k) von der Größe einer an den Flüssigkristallen anliegenden elektrischen Spannung abhängig ist, und – eine Ansteuerschaltung (3) zur Vorgabe von Spannungswerten, wobei – die Grenzfläche zwischen dem optischen Element (1) und der Flüssigkristallschicht (2) gegen die Einfallsrichtung des Strahlenbündels (4) um einen Winkel α geneigt ist, der im Bereich des Grenzwinkels der Totalreflexion liegt, und wobei – in Abhängigkeit von der vorgegebenen elektrischen Spannung – ni (i = 2) < n1 ist, so dass die Grenzschicht das Strahlenbündel (4) total reflektiert, oder – ni (i = k) > n1 ist, so dass die Grenzschicht das Strahlenbündel (4) nicht reflektiert, oder – ni (i = 3 ... k – 1) < n1 ist, so dass die Grenzschicht das Strahlenbündel (4) unvollständig reflektiert.Arrangement for influencing an incident beam ( 4 ), comprising: - an optical element ( 1 ) of a transparent material having a specific refractive index n 1 , - one on a surface region of the optical element ( 1 ) applied layer of liquid crystals whose refractive index n i (i = 2 ... k) is dependent on the size of an applied voltage to the liquid crystals, and - a drive circuit ( 3 ) for specifying voltage values, wherein - the interface between the optical element ( 1 ) and the liquid crystal layer ( 2 ) against the direction of incidence of the beam ( 4 ) is inclined by an angle α, which is in the range of the critical angle of total reflection, and wherein - in dependence on the predetermined electrical voltage - n i (i = 2) <n 1 , so that the boundary layer, the beam ( 4 ) is totally reflected, or - n i (i = k)> n 1 , so that the boundary layer is the beam ( 4 ) is not reflected, or - n i (i = 3 ... k - 1) <n 1 , so that the boundary layer of the beam ( 4 ) incompletely reflected. Anordnung nach Anspruch 1, bei der wahlweise oder alternierend – ein erster Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegt, bei welchem die Flüssigkristallschicht (2) die Brechzahl ni (i = 2) hat, so dass aufgrund der sich dabei einstellenden vollständigen Totalreflexion die Grenzfläche das Strahlenbündel (4) total reflektiert, oder – ein zweiter Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegt, bei welchem die Flüssigkristallschicht (2) die Brechzahl ni (i = k) hat, so dass das Strahlenbündel (4) die Grenzfläche passiert.Arrangement according to claim 1, in which wahlwei se or alternating - a first voltage value is applied to all liquid crystals, in which the liquid crystal layer ( 2 ) has the refractive index n i (i = 2), so that due to the thereby occurring complete total reflection, the boundary surface of the beam ( 4 ) is totally reflected, or - a second voltage value is applied to all liquid crystals in which the liquid crystal layer ( 2 ) has the refractive index n i (i = k), so that the beam ( 4 ) the interface happens. Anordnung nach Anspruch 1, bei der wahlweise oder alternierend – ein erster Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegt, bei welchem die Flüssigkri stallschicht (2) die Brechzahl ni (i = k) hat, so dass das Strahlenbündel (4) die Grenzfläche passiert, oder – ein zweiter Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegt, bei welchem die Flüssigkristallschicht (2) die Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) hat, wobei aufgrund einer sich bei der Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) einstellenden unvollständigen Totalreflexion die Grenzfläche einen Anteil des Strahlenbündels (4) reflektiert.Arrangement according to Claim 1, in which, selectively or alternately, a first voltage value is applied to all liquid crystals in which the liquid crystal layer ( 2 ) has the refractive index n i (i = k), so that the beam ( 4 ) the interface passes, or - a second voltage value is applied to all the liquid crystals in which the liquid crystal layer ( 2 ) has the refractive index n i (i = 3 ... k-1), wherein due to an incomplete total reflection occurring at the refractive index n i (i = 3 ... k-1), the interface absorbs a portion of the beam ( 4 ) reflected. Anordnung nach Anspruch 1, bei der wahlweise oder alternierend – ein erster Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegt, bei welchem die Flüssigkristallschicht (4) die Brechzahl ni (i = 2) hat, so dass aufgrund der sich dabei einstellenden vollständigen Totalreflexion die Grenzfläche das Strahlenbündel (4) reflektiert, oder – ein zweiter Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegt, bei welchem die Flüssigkristallschicht (1) die Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) hat, wobei aufgrund einer sich bei der Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) einstellenden unvollständigen Totalreflexion die Grenzfläche einen Anteil des Strahlenbündels (4) reflektiert.Arrangement according to Claim 1, in which, optionally or alternately, a first voltage value is applied to all liquid crystals in which the liquid crystal layer ( 4 ) has the refractive index n i (i = 2), so that due to the thereby occurring complete total reflection, the boundary surface of the beam ( 4 ), or - a second voltage value is applied to all liquid crystals in which the liquid crystal layer ( 1 ) has the refractive index n i (i = 3 ... k-1), wherein due to an incomplete total reflection occurring at the refractive index n i (i = 3 ... k-1), the interface absorbs a portion of the beam ( 4 ) reflected. Anordnung nach Anspruch 4, bei welcher der zweite Spannungswert in einem vorgegebenen Wertebereich variabel ist, so dass aufgrund der sich in Abhängigkeit davon jeweils einstellenden unvollständigen Totalreflexion die Grenzfläche unterschiedliche Anteile des Strahlenbündels (4) reflektiert.Arrangement according to Claim 4, in which the second voltage value is variable within a predetermined value range, such that, due to the incomplete total reflection depending on it, the interface contains different portions of the radiation beam ( 4 ) reflected. Anordnung nach Anspruch 1, bei der – ein erster Spannungswert an einer ersten Teilmenge der Flüssigkristalle anliegt, so dass die Flüssigkristallschicht (2) im Bereich der ersten Teilmenge die Brechzahl ni (i = 2) hat und aufgrund der sich dabei einstellenden vollständigen Totalreflexion die Grenzfläche den auf diesen Bereich treffenden Anteil des Strahlenbündels (4) reflektiert, während – ein zweiter Spannungswert an einer zweiten Teilmenge der Flüssigkristalle anliegt, so dass die Flüssigkristallschicht (2) im Bereich der zweiten Teilmenge die Brechzahl ni (i = k) hat und der auf diesen Bereich treffende Anteil des Strahlenbündels (4) die Flüssigkristallschicht (2) passiert.Arrangement according to claim 1, in which - a first voltage value is applied to a first subset of the liquid crystals, so that the liquid crystal layer ( 2 ) in the region of the first subset has the refractive index n i (i = 2) and, due to the resulting total total reflection, the interface covers the portion of the radiation beam impinging on this region ( 4 ), while - a second voltage value is applied to a second subset of the liquid crystals, so that the liquid crystal layer ( 2 ) in the region of the second subset has the refractive index n i (i = k) and the portion of the beam bundle ( 4 ) the liquid crystal layer ( 2 ) happens. Anordnung nach Anspruch 6, bei der mittels der Ansteuerschaltung das Verhältnis der angesteuerten ersten Teilmenge zur angesteuerten zweiten Teilmenge und damit auch das Verhältnis des an der Grenzfläche reflektierten Anteils des Strahlenbündels (4) zu dem Anteil des Strahlenbündels (4), das die Flüssigkristallschicht (2) passiert, variabel ist.Arrangement according to Claim 6, in which the ratio of the controlled first subset to the activated second subset and thus also the ratio of the fraction of the radiation beam reflected at the boundary surface (FIG. 4 ) to the proportion of the beam ( 4 ) containing the liquid crystal layer ( 2 ) happens, is variable. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein Strahlenbündel (4) aus polychromatischem Licht einfällt und ein Spannungswert an allen Flüssigkristallen anliegt, bei dem die Flüssigkri stallschicht (2) eine Brechzahl ni (i = 3 ... k – 1) hat, bei welcher – ein Anteil des Strahlenbündels (4) mit einem ersten Wellenlängenbereich die Grenzfläche passiert, während – die Grenzfläche einen Anteil des Strahlenbündels (4) mit einem zweiten Wellenlängenbereich reflektiert.Arrangement according to Claim 1, in which a radiation beam ( 4 ) is incident from polychromatic light and a voltage value is applied to all liquid crystals, in which the liquid crystal layer ( 2 ) has a refractive index n i (i = 3 ... k-1), in which - a portion of the beam ( 4 ) passes the interface with a first wavelength range, while - the interface occupies a portion of the beam ( 4 ) is reflected with a second wavelength range. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgelegt für Strahlenbündel (4) des Wellenlängenbereiches von 1500 nm bis 1800 nm, bevorzugt von 250 nm bis 1670 nm.Arrangement according to one of the preceding claims, designed for radiation beams ( 4 ) of the wavelength range from 1500 nm to 1800 nm, preferably from 250 nm to 1670 nm. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Flüssigkristallschicht (2) auf die Lichtaustrittsfläche des optischen Elementes (1) aufgebracht ist.Arrangement according to one of Claims 1 to 8, in which the liquid-crystal layer ( 2 ) on the light exit surface of the optical element ( 1 ) is applied. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der auf die Lichteintrittsfläche des optischen Elementes (1) eine Antireflexionsschicht (5) aufgebracht ist.Arrangement according to one of claims 1 to 9, in which on the light entry surface of the optical element ( 1 ) an antireflection coating ( 5 ) is applied. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Lichtaustrittsfläche eben ausgeführt und parallel zur Lichteintrittsfläche ausgerichtet ist.Arrangement according to one of claims 1 to 7, wherein the light exit surface is flat executed and parallel to the light entry surface is aligned. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der als optisches Element (1) eine Platte aus Glas, Kunststoff oder Quarzglas vorgesehen ist, bevorzugt aus Glas BK7 mit einer Brechzahl n1 = 1,5.Arrangement according to one of the preceding claims, in which as an optical element ( 1 ) a plate made of glass, plastic or quartz glass is provided, preferably of glass BK7 with a refractive index n 1 = 1.5. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der nematische Flüssigkristalle vorgesehen sind und die Brechzahlen ni der Flüssigkristallschicht (2) im Bereich n2 = 1,3 bis nk = 2,0 liegen.Arrangement according to one of the preceding claims, in which nematic liquid crystals are provided and the refractive indices n i of the liquid crystal layer ( 2 ) in the range n 2 = 1.3 to n k = 2.0. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die Richtungen der reflektierten Strahlungsanteile orthogonal zur Einfallsrichtung des Strahlenbündels (4) orientiert sind.Arrangement according to one of the preceding claims, in which the directions of the reflected radiation components orthogonal to the direction of incidence of the radiation beam ( 4 ) are oriented. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welcher das optische Element (1) mit einer Schwenkeinrichtung (6) zur Variation des Winkels α verbunden ist.Arrangement according to one of claims 1 to 14, in which the optical element ( 1 ) with a pivoting device ( 6 ) is connected to the variation of the angle α. Verwendung einer Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 als Strahlteiler mit festem Teilungsverhältnis.Use of an arrangement according to claims 1 to 4 as a beam splitter with a fixed division ratio. Verwendung einer Anordnung nach Anspruch 5 als Strahlteiler mit variablem Teilungsverhältnis.Use of an arrangement according to claim 5 as a beam splitter with variable division ratio. Verwendung von mehreren Anordnungen nach den Ansprüchen 1 bis 16 in Reihe hintereinander, wobei in den einzelnen Anordnungen gesonderte Spannungswerte an den Flüssigkristallen anliegen, so dass in Abhängigkeit von den sich dabei jeweils einstellenden Brechzahlen unterschiedliche Anteile von dem jeweils einfallenden Strahlungsbündel (4) die Flüssigkristallschicht (2) passieren bzw. die Grenzfläche unterschiedliche Anteile von dem jeweils einfallenden Strahlenbündel (4) reflektiert.Use of a plurality of arrangements according to claims 1 to 16 in series one behind the other, with separate voltage values applied to the liquid crystals in the individual arrangements, so that different portions of the respective incident radiation bundle (FIG. 4 ) the liquid crystal layer ( 2 ) or the interface different proportions of the respective incident beam ( 4 ) reflected. Verwendung einer Anordnung nach Anspruch 8 zur Abspaltung von Farbanteilen aus einem Strahlenbündel (4) aus polychromatischem Licht.Use of an arrangement according to claim 8 for the separation of color components from a beam ( 4 ) made of polychromatic light. Verwendung einer Anordnung nach Anspruch 16 zur variablen Mischung abgespalteter Farbanteile.Use of an arrangement according to claim 16 for variable mixture of split-off color components. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Beeinflussung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des durch die Flüssigkristallschicht hindurchtretenden Strahlenbündels oder eines durch vorgegebene Bereiche der Flüssigkristallschicht hindurchtretenden Strahlungsanteils. Modulation der Phase oder der Amplitude des Strahlenbündels oder von Teilen davon verwendet.Use of an arrangement according to one of claims 1 to 16 for influencing the propagation speed of the through liquid crystal layer passing beam or one passing through predetermined areas of the liquid crystal layer Radiation component. Modulation of the phase or amplitude of the beam or used by parts of it. Verwendung einer Anordnung nach Anspruch 22 zur Veränderung oder Variation der Wellenfront des Strahlenbündels.Use of an arrangement according to claim 22 for change or variation of the wavefront of the beam.
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