DE1104610B - Verfahren zur Lichtsteuerung und Vorrichtung zur Durchfuehrung desselben - Google Patents

Verfahren zur Lichtsteuerung und Vorrichtung zur Durchfuehrung desselben

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DE1104610B
DE1104610B DEF24221A DEF0024221A DE1104610B DE 1104610 B DE1104610 B DE 1104610B DE F24221 A DEF24221 A DE F24221A DE F0024221 A DEF0024221 A DE F0024221A DE 1104610 B DE1104610 B DE 1104610B
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    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/19Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on variable-reflection or variable-refraction elements not provided for in groups G02F1/015 - G02F1/169
    • G02F1/195Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on variable-reflection or variable-refraction elements not provided for in groups G02F1/015 - G02F1/169 by using frustrated reflection
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • G03G17/04Electrographic processes using patterns other than charge patterns, e.g. an electric conductivity pattern; Processes involving a migration, e.g. photoelectrophoresis, photoelectrosolography; Processes involving a selective transfer, e.g. electrophoto-adhesive processes; Apparatus essentially involving a single such process using photoelectrophoresis
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Description

  • Verfahren zur Lichtsteuerung und Vorrichtung zur Durchführung desselben Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lichtsteuerung, bei dem die optischen Eigenschaften eines Mediums durch ein elektrisches Feld verändert werden. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Zur Steuerung des Lichtes in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld wurde bisher vor allem der Kerr-Effekt ausgenutzt, der bekanntlich darauf beruht, daß manche Substanzen im elektrischen Feld doppeltbrechend werden. Die Nachteile dieses bekannten Lichtsteuerverfahrens liegen insbesondere darin, daß hohe elektrische Spannungen erforderlich sind und die Lichtausbeute wegen der Verwendung polarisierten Lichtes stets weniger als 50% beträgt, also ziemlich gering ist.
  • Es ist bekannt, das Licht, das auf eine Fläche eines festen oder flüssigen, unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes den Brechungsindex ändernden Körpers auftrifft, in der Weise zu steuern, daß durch Änderung des Grenzwinkels der Totalreflexion die reflektierten und nicht reflektierten Anteile eines divergenten, den Grenzwinkel der Totalreflexion einschließenden Lichtbündels verändert werden. Der hierbei erzielte Aussteuerungsbereich ist jedoch sehr klein, da zum einen auch jene Lichtstrahlen, die bei Einwirkung eines hinreichend hohen elektrischen Feldes total reflektiert werden sollen, vor Wirksamwerden des Feldes bereits partiell reflektiert werden und zum anderen die erreichbaren Änderungen des Brechungsindex des reflektierenden Körpers nach dem Prinzip der elektrischen Doppelbrechung gering sind.
  • Des weiteren sind auch schon elektrisch gesteuerte Lichtventile bekannt, die aus einem durchsichtigen Medium mit darin suspendierenden, lichtschwächenden Teilchen bestehen. Diese Teilchen nehmen bei Nichtvorhandensein eines elektrischen Feldes beliebige Stellungen ein und erfahren bei Einwirkung des Kraftfeldes eine Orientierung, wodurch sich die Lichtdurchlässigkeit des gesamten Systems ändert. Auch hier sind größere Lichtverluste in Kauf zu nehmen, da die ausrichtbaren Teilchen auch bei einheitlicher Orientierung noch eine lichtschwächende Wirkung ausüben.
  • Hier schafft die vorliegende Erfindung Abhilfe. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lichtsteuerung, bei dem die optischen Eigenschaften eines Mediums durch ein elektrisches Feld verändert werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Medium mit Komponenten benutzt wird, welche im elektrischen Feld wandern und hierdurch an einer Grenzfläche Konzentrationsänderungen hervorrufen, die zur Lichsteuerung ausgenutzt werden. Zur Durchführung dieses Verfahrens kann eine Vorrichtung Verwendung finden, bei welcher als Medium, in dem Konzentrationsänderungen auftreten, ein kolloides oder solubilisiertes System dient. Die Grenzfläche, an welcher Konzentrationsänderungen des Mediums wirksam werden, kann vorzugsweise durch eine Membran oder durch eine Elektrode der zur Erzeugung des elektrischen Feldes dienenden Einrichtung gebildet sein.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Lichtsteuervorrichtung stimmt der Brechungsindex des Mediums in der an die Grenzfläche sich anschließenden Grenzschicht bei einer extremen Konzentration des Mediums in dieser Grenzschicht mit dem Brechungsindex eines auf der gegenüberliegenden Seite der Grenzfläche vorhandenen Mediums annähernd überein.
  • Die Anordnung kann so getroffen sein, daß durch die Konzentrationsänderungen im Medium an der Grenzfläche die Voraussetzung für eine Totalreflexion des zu steuernden Lichtes an der Grenzfläche geschaffen wird. Hierbei trifft das zu steuernde Licht auf die Grenzfläche unter einem Einfallswinkel auf, der mindestens gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion ist, der dem Brechungsindex des Mediums an der Grenzfläche nach Eintritt der ILonzentrationsänderung entspricht, während die Lichtsteuerung durch Änderung des Brechungsvermögens und/oder der Dicke der an der Grenzfläche unter dem Einfluß des elektrischen Feldes sich ausbildenden Schicht veränderter Konzentration des Mediums erfolgt.
  • In analoger Weise kann die Anordnung auch so getroffen sein, daß durch die Konzentrationsänderungen im Medium an der Grenzfläche eine bestehende Totalreflexion des zu steuernden Lichtes an dieser Grenzfläche mindestens teilweise aufgehoben wird. Hierbei trifft das zu steuernde Licht auf die Grenzfläche unter einem Einfallswinkel auf, der kleiner alb der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, der dem Brechungsindex des Mediums an der Grenzfläche nach Eintritt der Konzentrationsänderung entspricht, während die Lichtsteuerung wiederum durch Änderung des Brechungsvermögens und/oder der Dicke der an der Grenzfläche unter dem Einfluß des elektrischen Feldes sich ausbildenden Schicht veränderter Konzentration des Mediums erfolgt.
  • Die Änderungen der optischen Eigenschaften des Mediums an der Grenzfläche können auch unter Ausnutzung der Schlierenmethoden, des Phasenkontrastverfahrens oder der Dunkelfeldmethode zur Lichtsteuerung dienen. Es kann auch Polarisadonslicht Anwendung finden, wobei die Änderungen seines Polarisationszustandes zur Lichtsteuerung ausgenutzt werden.
  • Die Änderung des elektrischen Feldes kann auf mechanischem, elektrischem, magnetischem, elektromagnetischem oder thermoelektrischem Wege erzeugt werden. Die Änderung des elektrischen Feldes kann auch durch elektromagnetische Strahlung auf Grund der bekannten fotoelektrischen Effekte erfolgen. Zu diesem Zweck kann einer der Elektroden der zur Er- ; zeugung des elektrischen Feldes dienenden Einrichtung eine strahlungsempfindliche Schicht, vorzugsweise eine Fotohalbleiterschicht, zugeordnet sein.
  • Die beschriebene Lichtsteuervorrichtung kann als Strahlungswandler dienen, wobei die Änderungen des elektrischen Feldes auch durch Korpuskularstrahlen erzeugbar sind. In diesem Fall ist eine strahlungsempfindliche Schicht vorgesehen, die bei Beschuß mit Korpuskularstrahlen ihre elektrischen Eigenschaften, vorzugsweise ihre Leitfähigkeit, ändert.
  • Zur Beseitigung der durch das elektrische Feld bewirkten Konzentrationsänderungen im Medium kann auch ein Ultraschallfeld Anwendung finden.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung sind mit dem Vorteil verbunden. daß durch das elektrische Feld in der an die Grenzfläche sich anschließenden Grenzschicht des Mediums bei einem verhältnismäßig geringen Energieaufwand eine große Konzentrationsänderung und somit eine große, bei Lichtsteue_einrichtungen bisher nicht erreichte Änderung des Brechungsvermögens des Mediums im Bereich der Grenzfläche erzielbar ist. Hierdurch wird die Lichtsteuerung erheblich vereinfacht; sie kann mit verhältnismäßig geringen Mitteln mit großer Genauigkeit durchgeführt «erden.
  • Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist darin zu erblicken, daß es die Aussteuerung des auf das Steuersystem auftreffenden Lichtes praktisch innerhalb des gesamten Bereiches zwischen 0 und 100% zuläßt und auch eine flächenhafte Bildwandlung und Bildverstärkung ermöglicht.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile sind aus der Beschreibung einiger Ausführungsformen der Lichtsteuervorrichtung ersichtlich. Diese Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt, und zwar zeigt Abb. 1 eine Anordnung zur Lichtsteuerung in schematischer Darstellung, Abb.2 ein Oszillogramm zur Veranschaulichung der Lichtreflexion in Abhängigkeit von der Zeit beim Gegenstand der Abb. 1, Abb. 3 eine weitere Ausführungsform einr Lichtsteuervorrichtung.
  • Bei der Vorrichtung zur Lichtsteuerung nach Abb. 1 erfolgt durch die Änderung der optischen Eigenschuften in einer Steuerschicht eine Beeinflussung der Totalreflexion des Lichtes. Zwischen zwei Elektroden 1 und 2 befindet sich, von den Membranen 3 und 4 abgeschlossen, eine kolloide Lösung 5, deren Teilchen elektrisch geladen sind, aber nicht durch die Jlembrauen hindurchtreten können. Zwischen d,--n Membranen und den Elektroden befindet sich eine Elektrolytlösung 6, die die leitende Verbindung zwischen den Elektroden und der kolloiden Lösung hers-#ellt. Die Membran 3 bildet die zur Lichtsteuerung dienende Grenzfläche der als Steuerflüssigkeit benutzten kolloiden Lösung 5.
  • Man kann auch die verschiedenen Stoffe so au-,-wählen, daß die Brechungsindizes von EleItrolytlösung 6, Membran 3 und kolloider Lösung 5 einander gleich sind. Ist dies der Fall, dann geht der auf die Grenzfläche zwischen Membran 3 und kolloide Lösung 5 auftreffende Lichtstrahl 7 ungebrochen durch diese Grenzfläche hindurch.
  • Sind die Teilchen der kolloiden Lösung z. B. positiv geladen, so findet bei Anlegung eines -elektrischen Feldes an die Elektroden 1, 2, von denen die obere Elektrode 1 die Anode ist, eine Abwande-ung der Kolloidteilchen aus der Grenzschicht unmittelbar unterhalb der Membran 3 statt, so daß i i1 dieser Grenzschicht die Konzentration und damit - bei geeigneter Wahl des Kolloids - der Brechungsindex geringer wird. Dadurch trifft der Lichtstrahl ? nunmehr auf ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex und wird bei geeigneter `'Fahl des Einfallswinkels und hinreichender Dicke der Verarmung>-schicht total reflektiert (vgl. den Strahl 8). Bleibt jedoch die Dicke der verarmten Schicht unter dem für eine vollkommene Reflexion des auf die Grenzfläche auftreffenden Lichtes erforderlichen Mindestwert, so wird das Licht nur teilweise reflektiert, obwohl es unter einem Einfallswinkel auf die Grenzfläche auitriitt, de r mindestens so groß ist wie der Grenzwinkel der Totalreflexion bei Berücksichtigung des Brechungsindex der Steuerflüssigkeit in der Verarmungsschicht. Auf diese Weise läßt sich die Intensität des an der Grenzfläche reflektierten Lichtes zwischen 0 und 1.00% steuern.
  • Eine Aussteuerung der Intensität des reflektierten Lichtes bis auf Null ist auch noch auf folgende Arten möglich a) Das einfallende Licht ist parallel zur Einfallsebene linear polarisiert. Bei Beobachtung unter dem Polarisationswinkel ist die reflektierte Intensität gleich Null, während bei Totalreflexion die gesamte Intensität reflektiert wird.
  • b) Das einfallende Licht ist linear polarisiert. Ein Analysator sperrt das regulär reflektierte, linear polarisierte Licht vollständig. Da das total reflektierte Licht aber elliptisch polarisiert ist, geht ein großer Teil durch den Analysator.
  • c) Durch Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelelemente. Besitzt ein Element z. B. eine Restreflexion von 50 %, so werden bei Hintereinanderschaltung von drei Elementen nur noch 0,012% reflektiert.
  • Die Helligkeitssteuerung kann bei Frequenzen oberhalb 20 Hertz auch dadurch erfolgen, daß das Verhältnis von Impulsdauer und Impulspause variiert wird.
  • Bei der Anordnung nach Abb. 1 kann die obere Elektrode 1 auch als durchsichtige Elektrode direkt auf die Membran 3 aufgebracht werden, wobei das Licht von der Elektrodenseite her auf die Grenzfläche auftreffen kann. Die Elektrode kann auch unterhalb der Membran 3 angebracht werden; man hat dann nur Sorge zu tragen, daß die Stromlinien im wesentlichen durch die Membran 3 hindurchgehen. Die Elektrode 2 kann ebenfalls in die kolloide Lösung 5 verlegt werden, um störende Elektrodenreaktionen zu vermeiden.
  • Wenn man die Anordnung so wählt, wie Abb. 1 zeigt, kann trotz großen Elektrodenabstandes der größte Teil des Spannungsabfalls in die kolloide Lösung verlegt werden, wenn die Leitfähigkeit des Elektrolyten 6 groß ist gegenüber der Leitfähigkeit der kolloiden Lösung 5.
  • Wenn man an Stelle des Elektrolyten 6 die. gleiche kolloide Lösung 5 benutzt, treten an den Elektroden und den den Elektroden zugewandten Grenzflächen der Membranen ebenfalls Konzentrationsänderungen auf, die natürlich auch zur Lichtsteuerung benutzt werden können. Hierbei wird ein Lichtstrahl, der zunächst unter großem Einfallswinkel auf die Elektrode auftrifft, bei Einwirkung des elektrischen Feldes in der sich ausbildenden Schicht veränderter Konzentration so abgelenkt, als ob er an dieser Schicht reflektiert wird.
  • Es lassen sich sowohl Konzentrationsverarmungen als auch Konzentrationserhöhungen an der Grenzfläche zur Lichtsteuerung ausnutzen. So kann man mit der Anordnung nach Abb. 1 auch eine Verringerung der Lichtintensität bei Anlegen des elektrischen Feldes erzielen. Hierzu muß der Brechungsindex des kolloiden Systems zunächst kleiner als der der Membran 3 sein. Bei Stromdurchgang im richtigen Sinne findet eine Konzentrationserhöhung und darnif eine Vergrößerung des Brechungsindex in der ineinbrannahen Schicht statt, so daß dann die ursprünglich vorhandene Totalreflexion mehr oder weniger aufgehoben wird.
  • Umgekehrte Effekte, wie sie oben beschrieben wurden, lassen sich erzielen, wenn der Brechungsindex der Teilchen kleiner ist als der des Dispersionsmittels.
  • Für den Effekt ist es optimal, wenn der Brechungsindex der gelösten Substanz (z. B. Kolloidteilchen) möglichst stark verschieden ist von dem des Lösungs-oder Dispersionsmittels und wenn die Konzentration möglichst hoch ist, so daß der Brechungsindex der Lösung oder Dispersion stark verschieden ist von dem des Lösungs- bzw. Dispersionsmittels. Uni die aufzuwendende elektrische Energie klein zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die pro elekrische Ladungseinheit übergeführte Substanzmenge möglichst groß ist. Bei der Totalreflexion kann auch die Änderung der Absorptionskante in der Steuerschicht benutzt werden.
  • Für die Ausbildung der Konzentrationsänderung wird eine Zeit benötigt, die abhängt von der Feldstärke, der Beweglichkeit der Teilchen sowie von der Dicke der Schicht, deren Konzentration geändert wird; Schichtdicken von einer Wellenlänge reichen im allgemeinen zur Aussteuerung aus. Die Beweglichkeit der Teichen liegt in der Größenordnung von 1 q/sec/V/cm, oft ist sie auch noch wesentlich größer. Die maximal möglichen Feldstärken liegen in der Größenordnung von 105 V/cm. Rechnet man mit einer Schichtdicke von 1 #x, so ergeben sich für die volle Aussteuerung Zeiten von 10'-5 Sekunden und weniger.
  • Abb. 2 zeigt ein Oszillogramm, in dem die Kurve 9 den zeitlichen Verlauf der an die Elektroden 1, 2 der Vorrichtung nach Abb. 1 angelegten Spannung (Feldstärke etwa 10 V/cm, Zeitdauer etwa 20- 10-3 Sekunden und die Kurve 10 den zeitlichen Verlauf der mit einer Photozelle gemessenen Intensität des von der Grenzfläche reflektierten Lichtes darstellt.
  • Der Brechungsindex von konzentrierten Systemen kann von dem Brechungsindex des Lösungs- bzw. Dispersionsmittels um Jn=0,1 bis 0,2 abweichen. Die bei Stromdurchgang auftretende Änderung des Brechungsindex, z. B. bei Wasser von 1,45 auf 1,33, entspricht einem Grenzwinkel der Totalreflexion von 66=, d. h. einem Öffnungswinkel von 24°. Durch die Brechung des Lichtes an der Eintrittsfläche des Systems ergibt sich der praktisch ausnutzbare öffnungswinlzel zu Q37°. Der für den Phasenkontrast maßgebende optische Wegunterschied hängt von der Schichtdicke d ab und beträgt An-d, für 4n-0,12 und d=2-10-4 cm =2 #t also 0,24 #L, d. h. >Ä/3 für eine Wellenlänge von 600 m#t. Dieser optische Wegunterschied reicht zur Aussteuerung bei Phasenkontrast völlig aus.
  • Die für einen einmaligen Effekt notwendige elektrische Energie hängt von dem spezifischen Widerstand des Systems, der Größe der Steuerfläche (Elektrode oder Membran) und der angelegten Spannung, bei vorgegebener Feldstärke also von dem Elektrodenabstand ab. Sie beträgt z. B. bei einer Feldstärke von 103 ",'/cm und einem Elektrodenabstand von 10-2 cm =0,1 mm, d. h. einer Spannung von 10 V, sowie bei einem spezifischen Widerstand von 103 S2 # cm weniger als 10-= Wattsekunden pro Quadratzentimeter Steuerfläche.
  • Für die praktische Anwendung ist der Verarmungseffekt an Membranen in kolloiden Systemen besonders günstig, weil die pro Ladungseinheit übergeführte Substanzmenge besonders groß ist, so daß die zur Erzielung eines bestimmten optischen Effektes notwendige elektrische Energie sehr klein ist. Die ge'.adenen Kolloidteilchen können auch durch gleichgeladene Ionen, die durch die Membran einwandern, ersetzt werden. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß die Beweglichkeit der Kolloidteilchten, d. h. ihre Geschwindigkeit pro Feldstärkeeinheit, von der gleichen Größenordnung ist wie die der Ionen und durch Zusätze zu verändern ist. Die Grenzfläche, an der sich die für den optischen Effekt maßgebenden Konzentrationsänderungen abspielen, ist von der Elektrodenfläche mit ihren unter Umständen störenden Elektrodenreaktionen räumlich getrennt. Bei geeigneter Wahl der Membran kann die elektroosmotische Wasserüberführung den Effekt noch vergrößern. Elektrode und Elektrolyt zusammen können bei geeigneter Wahl als Spannungsquelle benutzt werden, so daß unter Umständen auf eine äußere Spannungsquelle verzichtet werden kann.
  • Es eignen sich wäßrige und nichtwäßrige kolloide Systeme, insbesondere auch Sole und Gele. Statt dessen sind auch wäßrige und nicht wäßrige Lösungen von Elektrolyten, makromolekularen Substanzen und Farbstoffen sowie solubilisierte Systeme, beispielsweise Chlorbenzol in wäßriger Dimethylaminhy drochloridlösung, und Polystyrolemusionen als Steuersysteme eignet.
  • Wie bereits erwähnt, können die Konzentrationsänderungen und die daraus resultierenden Änderungen der optischen Eigenschaften in der Grenzschicht des zur Lichtsteuerung dienenden Systems außer auf dem Weg der Totalreflexion des auf die Grenzfläche auftreffenden Lichtes auch durch andere, an sich bekannte Methoden sichtbar gemacht werden, beispielsweise durch Phasenkontrastverfahren, Dunkelfeldbeobachtung oder Schlierenmethoden.
  • Das Einschalten und die Veränderungen des für den Effekt notwendigen elektrischen Feldes kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispiels-,leise mechanisch, elekrisch, magnetisch, elektromagnetisch oder thermoelektrisch. Es kann auch durch Korpuskularstrahlen (z. B. Elektronen, Ionen) erfolgen, entweder direkt oder über die durch horpuskularstralilen bewirkten Leitfähigkeitsänderungen von Halbleiterschichten, die der Vorrichtung zur Lichtsteuerung zugeorInet sein können. Ferner können auch elektromagnetische Strahlungen (Röntgenstrahlen, ultraviolettes, sichtbares nder tiltrarote5 Lichts über die bekannten photoelektrischen Effekte die für die Lichtsteuerung notwendigen Anderungenn des elektrischen Feldes hervorrufen.
  • In Abb. 3 ist das Schema einer solchen Anordnung beispielsweise dargestellt. Die einfallende Strahlung 20 (z. B. Elektronen oder Licht) fällt durch eine dünne Metallschicht 11, die als Elektrode dient, auf eine Halbleiterschicht 12, die bei Bestrahlung ihren elektrischen Widerstand ändert. Über eine Elektrodenschicht 13 werden die resultierenden Stromänderungen auf ein System analog Abb. 1 übertragen, das eine Elektrolytlösung 14, eine Membran 15, ein kolloide: System 16, eine Membran 17, an der die Lichtsteuerung erfolgt, eine Elektrolytlösung 18 und eine Elektrode 19 umfaßt. Eine Spannungsquelle 23 ist an die 131ektroden 11, 19 angeschlossen. Je nach der Intensität der auffallenden Strahlung 20 wird das elektrische Feld im Bereich der Membran 17 und somit die Intensität des reflektierten Anteiles 22 des Lichtstrahles 21 wie bei der Vorrichtung nach Abb. 1 verändert. Fällt keine Strahlung auf die Halbleiterschicht 12, so geht das Licht 21 ungebrochen durch die Membran 17 hindurch. Weist die Primärstrahlung 20 eine bildmäßige Intensitätsverteilung auf, sU zeigt diese bildmäßige Intensitätsverteilung auch die reflektierte Sekundärstrahlung 22. Hierdurch kann eine Bildwandlung und Bildverstärkung erreicht v, erden.
  • Bei Beschuß mit Elektronenstrahlen können die Elektrode 11 hzw. 13, die Halbleiterschicht 12 und die Spatinttngbduelle 23 an sich fortfallen. Die Beschleunigungsspannung für die Elektronen liegt dann zwischen der Elektronenquelle (z. B. Glühkathode) und der Elektrode 19. Der fließende Strom wird in diesem Fall direkt durch die auffallenden Elektronen 20 gebildet. Hingegen besteht bei der Anordnung gemäß Abb.3 die Möglichkeit, den Elektronenstrom zu verstärken und den Steuerstrom, d. h. den Strom, der die Intensität des reflektierten L iciites steuert, länger fließen zu lassen als den primären Elektronenstrom 20. Dies bedeutet, da?) man das Elektronenbild speichern kann, was zu einer weiteren effektiven Bildverstärkung fiilirt. Ganz analog läßt sich natürlich auch das Bild eiehtronlagnetischer Strahlung mittels der Halbleiterscüiclit 12 speichern.
  • Um eine einwandfreie Bildverstärkung und Bildivandlung zu erzielen, muß die Komponente des elektrischen Feldes, die parallel zur Membran 17 verläuft, in dem Raumgebiet zwischen Elektrode 11 und Membran 17 möglichst klein sein. Dies kann z. B. durch Verwendung sehr dünner Schichten 12, 13, 14, 16 und durch ein gut homogenes elektrisrc?ies Feld zwischen den Elektroden 11, 19 erreicht werden. Sehr vorteilhaft ist eine Unterteilung der Schichten 13, 14 und 16 in Einzelzellen sehr kleiner Größe mittels isolierender Zwischenwände (nicht dargestellt), wodurch auch bei längerem Bildstand ein Konzentrationsausgleich unter den benachbarten -1,-olumenelementen der grenzflächennahen Steuerschicht verhindert wird. Im letzteren Falle erhält man einen Bildrast:jr, dessen Feinheit durch die Größe der Einzelzellen bestimmt ist. Die Intensitätssteuerung des reflektierten Bildes kann wieder, wie oben bereits beschrieben, durch die Stromstärke oder, bei konstantem Strom, durch die Zeit erfolgen, während der der Steuerstrom relativ zu den Dunkelpausen fließt.
  • Die Rückgängigmachung der Konzentrationsänderungen in der der Grenzfläche benachbarten Steuerschicht der Lichtsteuervorrichtung kann durch Diffusion, ein elektrisches Gegenfeld oder durch Ultraschallwellen erfolgen.
  • Das Licht, dessen Intensität nach dem besc"irielienen Verfahren und mit der vorgenannten Vorrichtung gesteuert wird, braucht nicht dem sichtbaren Wellenlängenbereich anzugehören. Es kann sich beispielsweise auch um ultraviolettes oder ultrarotes Licht handeln.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung zur Lichtsteuerung sind insbesondere auf folgenden Gebieten mit Vorteil anwendbar: a) als photographischer Verschluß b) zur Lichtsteuerung für Tonfilmzwecke; c) als stroboskopische Lichtquelle großer 1:Ielligkeit ohne mechanisch bewegte Teile, wobei jede beliebige Primärlichtquelle verwendet werden kann d) als Bildverstärker und/oder Bildwandler für sichtbares Licht, z. B. für Projektionszwecke: e) als Bildwandler und Bildverstärker für ultrarotes und für ultraviolettes Licht, z. B. für die Ultraviolett-Mikroskopie; f) als Bildwandler und Bildverstärker für Röntgenstrahlen, z. B. für die medizinische Untersuchung oder die technische Materialprüfung g) als Bildwandler und Bildverstärker für Elektronenbilder, z. B. für die Elektronenmikroskopie: h) zur Fernsehprojektion: Das primäre Elektronenbild der Braunschen Röhre wird, wie oben beschrieben, in ein sichtbares Bild umgewandelt; dieses kann mit beliebiger Größe und Helligkeit projiziert werden; das Verfahren kann auch im normalen Fernsehempfänger angewandt werden und bringt den Vorteil mit sich, daß nicht mehr mit so hohen Spannungen wie bei bisherigen Fernsehgeräten gearbeitet zu werden braucht, die großen evakuierten Bildröhren wegfallen und durch Lichtsteuervorrichtungen mit einer Steuerfläche geringer Größe ersetzt «erden können, eine größere Bildhelligkeit und -größe erzielbar ist und eine wesentliche Verbilligung in der Herstellung des Fernsehgerätes erreicht werden kann: i) als Empfänger von farbigen Fernsehbildern: --\lit drei nach den hier vorgeschlagenen Verfahren arbeitenden Lichtsteuervorrichtungen können die drei Farbauszüge des Fernsehbildes übereinander projiziert werden, indem drei Lichtquellen geeigneter Farbe verwendet bzw. von einer Lichtquelle über entsprechende optische Filter die Steuerflächen der drei Lichtsteuervorrichtun-en beleuchtet werden: hierdurch entfällt die Notwendigkeit einer Sonderanfertigung von Bildröhren zum Farbempfang; trotzdem ist eine bessere Farbabstufung möglich; k) als Bildwandler für die Strahlung radioaktiver Isotope; 1) als Bildspeicher für Kurzzeitaufnahmen: Bei Verwendung der beschriebenen Vorrichtung kann ein Bild von sehr kurzer Zeitdauer, z. B. 10---, Sekunden, verhältnismäßig lange, z. B. 1 Sekunde, gespeichert werden und während der ganzen Speicherzeit photographisch wirksam sein: m) zur Sichtbarmachung von Ultraschallwellen, z. B. für die Materialprüfung: Die Ultraschallwellen machen die Konzentrationsänderungen in der Steuerschicht der Lichtsteuervorrichtung, die im elektrischen Feld erzeugt werden, rückgängig; n) für Zwecke der Bildtelegraphie als Lichtrelais.

Claims (21)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Lichtsteuerung, bei dem die optischen Eigenschaften eines Mediums durch ein elektrisches Feld verändert werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Medium mit Komponenten benutzt wird, welche im elektrischen Feld wandern und hierdurch an einer Grenzfläche Konzentrationsänderungen hervorrufen, die zur Lichtsteuerung ausgenutzt werden.
  2. 2. Vorrichtung zur Lichtsteuerung nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium, in welchem Konzentrationsänderungen auftreten, ein kolloides System dient.
  3. 3. Vorrichtung zur Lichtsteuerung nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium, in welchem Konzentrationsänderungen auftreten, ein solubilisiertes System dient.
  4. 4. Vorrichtung zur Lichtsteuerung nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche, an welcher Konzentrationsänderungen des Mediums auftreten, durch eine Membran 3; 17) gebildet ist.
  5. 5. Vorrichtung zur Lichtsteuerung nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche, an welcher Konzentrationsänderungen des Mediums auftreten, durch eine Elektrode der zur Erzeugung des elektrischen Feldes dienenden Einrichtung gebildet ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Mediums in der an die Grenzfläche sich anschließenden Grenzschicht bei einer extremen Konzentration des Mediums in dieser Grenzschicht mit dem Brechungsindex Eines auf der gegenüberliegenden Seite der Grenzfläche vorhandenen Mediums annähernd übereinstimmt.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung so getroffen ist, daß durch die Konzentrationsänderungen im Medium an der Grenzfläche die Voraussetzung für eine Totalreflexion des zu steuernden Lichtes an der Grenzfläche geschaffen wird. B.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zu steuernde Licht auf die Grenzfläche unter einem Einfallswinkel auftrifft, der mindestens gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion ist, der dem Brechungsindex des Mediums an der Grenzfläche nach Eintritt der Konzentrationsänderung entspricht, und daß die Lichtsteuerung durch Änderung des Brechungsvermögens und/oder der Dicke der an der Grenzfläche unter dem Einfluß des elektrischen Feldes sich ausbildenden Schicht veränderter Konzentration des Mediums erfolgt.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung so getroffen ist, daß durch die Konzentrationsänderungen im Medium an der Grenzfläche eine bestehende Totalreflexion des zu steuernden Lichtes an dieser Grenzfläche mindestens teilweise aufgehoben wird.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zu steuernde Licht auf die Grenzfläche unter einem Einfallswinkel auftrifft, der kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, der dem Brechungsindex des Mediums an der Grenzfläche nach Eintritt der Konzentrationsänderung entspricht, und daß die Lichtsteuerung durch Änderung des Brechungsvermögens und/oder der Dicke der an der Grenzfläche unter dem Einfluß des elektrischen Feldes sich ausbildenden Schicht veränderter Konzentration des Mediums erfolgt.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der optischen Eigenschaften des Mediums an der Grenzfläche unter Ausnutzung der Schlierenmethoden zur Lichtsteuerung dienen.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der optischen Eigenschaften des Mediums an der Grenzfläche unter Ausnutzung des Phasenkontrastverfahrens zur Lichtsteuerung dienen.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der optischen Eigenschaften des Mediums an der Grenzfläche unter Ausnutzung der Dunkelfeldmethode zur Lichtsteuerung dienen.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Polarisationslicht Anwendung findet und die Änderungen seines Polarisationszustandes zur Lichtsteuerung dienen.
  15. 15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des elektrischen Feldes auf mechanischem, elektrischem, magnetischem, elektromagnetischem oder thermoelektrischem Wege erzeugbar ist.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen des elektrischen Feldes durch elektromagnetische Strahlung auf Grund der bekannten photoelektrischen Effekte erfolgt.
  17. 17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Elektroden (11, 19) der zur Erzeugung des elektrischen Feldes dienenden Einrichtung eine strahlungsempfindliche Schicht, beispielsweise eine Fotohalbleiterschicht (12), zugeordnet ist.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Strahlungswandler dient.
  19. 19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen des elektrischen Feldes durch Korpuskularstrahlen erzeugbar sind.
  20. 20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche Schicht bei Beschuß mit Korpuskularstrahlen ihre elektrischen Eigenschaften, vorzugsweise ihre Leitfähigkeit, ändert.
  21. 21. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das elektrische Feld bewirkten Konzentrationsänderungen im Medium durch ein Ultraschallfeld zu beseitigen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 663 866, 674 294.
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