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Verfahren zur Lichtsteuerung und Vorrichtung zur Durchführung desselben
Zusatz zur Patentanmeldung F24221VMc/21g (Auslegeschrift 1104 610) Das Hauptpatent
betrifft ein Verfahren zur Lichtsteuerung, bei dem die optischen Eigenschaften eines
Mediums durch ein elektrisches Feld verändert werden, wobei ein Medium mit Komponenten
benutzt wird, welche im elektrischen Feld wandern und hierdurch an einer Grenzfläche
Konzentrationsänderungen hervorrufen, die zur Lichtsteuerung ausgenutzt werden.
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In weiterer Ausgestaltung dieser Erfindung soll nunmehr ein durch
eine Wechselspannung erzeugtes elektrisches Feld Anwendung finden.
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Erfindungsgemäß kann zur Durchführung dieses Lichtsteuerverfahrens
eine Vorrichtung dienen, bei welcher die das System zur Lichtsteuerung umgebenden
Elektroden an eine Wechselspannung angeschlossen sind. Vorteilhafterweise kann im
Stromkreis des Systems zur Lichtsteuerung, vorzugsweise zwischen den Elektroden,
ein Gleichrichter angeordnet sein, der beispielsweise durch die Sperrschicht eines
zwischen den Elektroden angeordneten strahlungsempfindlichen Halbleiters gebildet
sein kann. Eine Elektrode des Halbleiters kann vorzugsweise rasterartige Struktur
aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung können im
Stromkreis des Systems zur Lichtsteuerung außerdem noch Mittel eingefügt sein, durch
welche die Amplituden beider Stromhalbwellen getrennt voneinander einstellbar sind.
Bei Abwesenheit von Lichtsteuersignalen soll dieses Amplitudenverhältnis vorzugsweise
1 :1 betragen. Die an den Elektroden liegende Wechselspannung kann entsprechend
der Diodenkennlinie des Halbleiters unsymmetrisch eingestellt sein, derart, daß
der durch das System fließende Wechselstrom bei Abwesenheit von Steuersignalen symmetrisch
ist. Die Mittel zur Einstellung der beiden Stromhalbwellen können aus zwei in Antiparallelschaltung
geschalteten Strompfaden bestehen, von denen jeder aus einem Einweggleichrichter
und einem einstellbaren Widerstand bestehen.
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Vorteilhafterweise ist die Frequenz der Wechselspannung so einstellbar,
daß die bei Einsetzen der Steuersignale eintretenden Konzentrationsänderungen sich
in der gesteuerten Schicht während mehrerer Perioden der Wechselspannung allmählich
aufbauen, oder aber so, daß an den Stellen maximaler Signaldichte die Aussteuerung
während einer Periode nahezu bis zur Totalreflexion erfolgt. Wenn die Frequenz oberhalb
20 Hertz liegt, ergibt sich auch im letzteren Fall für das Auge ein mittlerer Helligkeitseindruck,
der durch die örtliche Dichte der einfallenden Steuersignale bestimmt ist.
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Die Amplituden der Wechselstromhalbwellen können in Abhängigkeit von
der maximalen örtlichen Intensität der einfallenden Steuersignale (z. B. sichtbares
Licht, ultrarotes Licht, ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen, Elektronenstrahlen)
derart eingestellt sein, daß an den Stellen der maximalen Intensität das zu steuernde
Licht gerade noch oder doch annähernd total reflektiert wird. Dies gilt analog auch
dann, wenn die Sichtbarmachung der Änderung der optischen Eigenschaften durch andere
optische Verfahren (z. B. Phasenkontrast, schlierenoptische oder interferenzoptische
Verfahren) erfolgt.
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Zwischen der strahlungsempfindlichen Halbleiterschicht und der Grenzfläche
des Systems, welche von dem zu steuernden Licht bestrahlt wird, kann eine lichtundurchlässige
Schicht angeordnet sein.
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Das vorliegende Verfahren ist mit dem Vorteil verbunden, daß auf diese
Weise bei der Bildverstärkung und Bildwandlung der Dunkelstrom der Halbleiterschicht
für alle Bildelemente gleichmäßig, unabhängig von der Dichte der einfallenden Steuersignale
unwirksam gemacht wird, so daß nur der Hellstrom einen Effekt hervorruft. Außerdem
ergibt sich eine bessere Steuermöglichkeit, besonders für die Zwischentonwerte,
und eine Verringerung der chemischen Polarisationseffekte an den Elektroden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung einer Ausführungsform hervor. Diese Ausführungsform, die eine Vorrichtung
zur Bildverstärkung betrifft, ist in den Zeichnungen näher dargestellt, und zwar
zeigt
Fig. 1 Teile der Vorrichtung zur Bildverstärkung in schematischer
Darstellung, und zwar auf der Enken Hälfte in Form eines kleinen Ausschnitts, Fig.2
ein Diagramm der an die Elektroden der Bildverstärkungsvorrichtung angelegten Wechselspannung,
Fig. 3 ein Diagramm des Dunkelstromes der Bildverstärkungsvorrichtung, Fig. 4 ein
Diagramm des bei Belichtung der Bildverstärkungsvorrichtung durch diese fließenden
Wechselstromes.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, befindet sich zwischen der Rasterelektrode
2 und der Membran 3 die durch isolierende Zwischenwände 4 ebenfalls rasterförmig
unterteilte kolloide Lösung 5, deren Teilchen elektrisch geladen sind. Die Lösung
6 stellt die leitende Verbindung zwischen der Membran 3 und der Elektrode 1 her.
Diese Lösung 6 kann auch eine kolloide Lösung sein. Um Effekte an der Unterseite
der Membran zu vermeiden, können die Kolloidteilchen der Lösung 6 sehr viel stärker
geladen sein als die der Lösung 5. Dann werden die im elektrischen Feld an der Unterseite
der Membran 3 auftretenden Konzentrationsänderungen klein gegen die an der Oberseite,
die man zur Lichtsteuerung ausnutzen will. Die Lösungen 5 und 6 können aber auch
vertauscht werden. In diesem Falle nutzt man die Konzentrationsänderungen an der
Unterseite der Membran 3 zur Lichtsteuerung aus. Die Anordnung kann aber auch so
getroffen werden, daß der ganze Raum zwischen der Rastelektrode 2 und der Elektrode
1 durch die Lösung 5 erfüllt ist, so daß die direkt an dem Eelktrodenraster 2 auftretenden
Konzentrationsänderungen zur Lichtsteuerung ausgenutzt werden.
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Auf der Elektrode 2 ist eine Fotohalbleiterschicht 7, die bei Belichtung,
bzw. eine Halbleiterschicht, die bei Elektronenbestrahlung ihren elektrischen Widerstand
ändert, angeordnet, auf der sich eine dünne, durchsichtige Deckelektrode 8 befindet.
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An die Elektroden 1, 8 ist über den Schalter 9 eine Wechselstromquelle
10 angeschlossen, und zwar unter Zwischenschaltung zweier parallel zueinander geschalteter
Widerstände 11, 12 mit je einem verstellbaren Abgriff 13 bzw. 14. Die Widerstände
11, 12 sind mit je einem Gleichrichter 15 bzw. 16, die bezüglich ihrer Stromdurchlaßrichtung
entgegengesetzt angeordnet sind, in Reihe geschaltet, so daß durch Verstellen des
Abgriffs 13 die Amplitude der einen Halbwelle des durch das System fließenden Wechselstromes
und durch Verstellen des Abgriffs 14 die Amplitude der anderen Wechselstromhalbwelle
verändert werden kann.
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Der Strahl 17 symbolisiert das von einer in der Zeichnung nicht dargestellten
Primärlichtquelle herkommende Projektionsstrahlenbündel, das auf der Fotohalbleiterschicht
8 das zu verstärkende Projektionsbild erzeugt. Durch den Strahl 18 ist das von einer
ebenfalls nicht dargestellten Sekundärlichtquelle herrührende Lichtstrahlenbündel
symbolisiert, das durch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung entsprechend dem
auf die Fotohalbleiterschicht 7 projiziertenBild gesteuert wird.
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Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Brechungsindizes
der Lösung 6, der Membran 3 und der Kolloidlösung 5 wie beim Gegenstand des Hauptpatents
einander gleich, so daß bei Nichtvorhandensein eines elektrischen Feldes der auf
die Membran 3 auftreffende Lichtstrahl 18 ohne Brechung und Reflexion in die Kolloidlösung
5 eintritt (vgl. den Lichtstrahl 18'). Wie in der Schrift des Hauptpatents näher
ausgeführt ist, findet hingegen bei Einwirkung eines elektrischen, im Hinblick auf
das Vorzeichen der Ladung der Kolloidteilchen entsprechend gerichteten Feldes eine
Abwanderung von Kolloidteilchen aus der Grenzschicht unmittelbar über der Membran
3 statt, so daß nun in dieser Schicht die Konzentration, und damit - bei geeigneter
Wahl des Kolloids - der Brechungsindex, geringer werden. Somit trifft in diesem
Fall der an der Membran 3 ankommende Lichtstrahl auf ein Medium mit niedrigerem
Brechungsindex und wird deshalb - bei geeigneter Wahl des Einfallwinkels -total
reflektiert (vgl. den Lichtstrahl 18"). Je nach der Dicke der verarmten Schicht
über der Membran 3 kann auch nur eine teilweise Reflexion des Lichtes erfolgen.
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Das elektrische Feld zur Erzielung der Konzentrationsänderung in der
über der Membran 3 gelegenen Schicht wird durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden
1, 8 und Belichten der Fotohalbleiterschicht 7 erzeugt. Da die Elektrode 2 und die
Lösung 5 rasterförmig vorliegen, fließt der Strom durch das zwischen der Elektrode
2 und der Membran 3 liegende System in Form von einzelnen, in ihrem Querschnitt
von der Größe der Rasterelemente abhängigen Stromfäden. Die Stärke des Stromes in
den einzelnen Stromfäden ist unter anderem abhängig vom Widerstand der Fotohalbleiterschicht
7 und somit von der örtlichen Intensität des die Steuersignale bildenden Lichtes,
das auf die den entsprechenden Rasterelementen zugeordneten Bereiche der Fotohalbleiterschicht
7 fällt. Die Stromdichteverteilung im Bereich der Membran 3 entspricht somit der
Intensitätsverteilung des auf die Fotohalbleiterschicht auftreffenden Lichtes. Die
Rasterung der Lösung 5 hat insbesondere den Sinn, eine Streuung der Stromlinien
nach den Seiten hin zu verhindern. Diese Streuung der Stromlinien kann man auch
dadurch verringern, daß man den Abstand von der Elektrode 2 zur Membran 3 sehr klein
macht.
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Liegt an den Elektroden 1, 8 eine symmetrische Wechselspannung, so
ist der durch das System fließende Wechselstrom bei nicht belichteter Fotohalbleiterschicht
7 infolge ihres erheblich unterschiedlichen Widerstandes in den beiden Stromrichtungen
unsymmetrisch. Durch entsprechende Einstellung der Widerstandsabgriffe 13, 14 in
Anpassung an die Diodenkennlinie der Halbleiterschicht 7 kann nun die an den Elektroden
1, 8 liegende Wechselspannung derart deformiert werden, daß der Wechselstrom, der
bei nicht belichteter Fotohalbleiterschicht 7 durch das System fließt, symmetrisch
ist. In Fig. 2 ist das Diagramm der an den Elektroden 1, 8 liegenden deformierten
Wechselspannung und in Fig. 3 das Diagramm des hieraus resultierenden symmetrischen
Wechselstromes dargestellt.
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Da also der Dunkelstrom, der durch das System fließt, symmetrisch
ist, wird der in der kolloidalen Lösung 5 an der Membran 3 durch eine Halbwelle
des Dunkelstromes erzeugte Effekt, im vorliegenden Fall der Verarmungseffekt, durch
die darauffolgende andere Halbwelle des Dunkelstromes immer wieder rückgängig gemacht.
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Somit kommt es bei hinreichend hoher Frequenz des Dunkelstromes praktisch
zu keinen merklichen
Konzentrationsänderungen in der über der Membran
3 liegenden Schicht der kolloidalen Lösung 5. Der zu steuernde Lichtstrahl 18 tritt
also, wie bei abgeschalteter Stromquelle 10, durch die Membran 4 hindurch in die
kolloidale Lösung 5 ein und wird nicht reflektiert.
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Wird die Fotohalbleiterschicht 7 belichtet, so ändert sich in ihrem
jeweils belichteten Bereich ihr Widerstand entsprechend der Intensität des auftreffenden
Lichtes. Hierdurch wird der durch das System hindurchfließende Wechselstrom im zugehörigen
Stromfaden unsymmetrisch (vgl. Fig. 4). Die durch die ungleichen Halbwellen des
Wechselstromes erzeugten Wirkungen in der membrannahen Schicht der Kolloidlösung
5 heben sich daher gegenseitig nicht mehr auf, so daß es in der über der Membran
3 liegenden Schicht der Kolloidlösung 5 zur Ausbildung von Konzentrationsänderungen,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu einer Verarmung an Kolloidteilchen, kommt.
Das zu steuernde Licht, das auf den im jeweiligen Stromfaden liegenden Bereich der
Membran 3 fällt, wird deshalb reflektiert. Das durch den Lichtstrahl 18"
symbolisierte, an der Membran 3 reflektierte Lichtstrahlenbündel wird somit entsprechend
der Intensitätsverteilung im Lichtstrahlenbündel 17 gesteuert. Der durch eine einzige
Halbwelle erzeugte Verarmungseffekt an der Membran 3 ist bei kleiner Feldstärke
verhältnismäßig gering, so daß die für die Steuerung des Sekundärlichtstrahles 18,
d. h. für seine Reflexion an der Membran 3, erforderlichen Konzentrationsänderungen
während mehrerer Perioden des Wechselstromes allmählich aufgebaut werden. Bei ausreichender
Qualität des verstärkten Bildes wird die Amplitude der Wechselspannung so weit herunter
geregelt, daß das Bild erhalten bleibt, d. h. daß das Sekundärlicht 18 in dem Bereich
der Membran 3, welcher der am stärksten belichteten Stelle der Fotohalbleiterschicht
7 zugeordnet ist, gerade noch total oder annähernd total reflektiert wird. Hierdurch
wird bei der Bildverstärkung eine besonders gute Wiedergabe der Zwischentonwerte
erzielt.
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Mindestens eine der zwischen der Fotohalbleiterschicht 7 und der Membran
3, welche von dem zu steuernden Licht bestrahlt wird, liegenden Schichten 2, 4,
5 kann lichtundurchlässig sein, damit eine Rückwirkung des zu steuernden, auf die
Membran 3 auftreffenden Lichtes auf die Fotohalbleiterschicht 7 vermieden wird.
Zur Vermeidung dieser Rückwirkung kann zwischen der Fotohalbleiterschicht 7 und
der Membran 3 auch eine zusätzliche, lichtabsorbierende Schicht angeordnet sein.
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Selbstverständlich ist die Verwendung von Wechselspannung nicht nur
bei Vorrichtungen zur Bildverstärkung, sondern auch bei vielen anderen Einrichtungen
vorteilhaft, bei denen das dem Hauptpatent zugrunde liegende Prinzip zur Anwendung
kommt, beispielsweise auch bei Bildwandlern zur Umwandlung eines elektronenoptischen
Bildes in ein optisches Bild. In diesem Fall wäre die Fotohalbleiterschicht 7 durch
eine Halbleiterschicht zu ersetzen, die bei Beschuß mit Elektronen ihren Widerstand
ändert. Die Elektrode 8 müßte dann für Elektronen durchlässig sein (z. B. eine dünne
Metallaufdampfschicht oder eine Netzelektrode).
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Wie aus dem vorhergehenden ersichtlich, ist die Voraussetzung für
die Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens, daß die Halbleiter- bzw. Fotohalbleiterschicht
eine gewisse Gleichrichterwirkung zeigt. Sollte dies von Natur aus nicht der Fall
sein, so kann man auch zwischen dem Schalter 9 (s. Fig. 1) und der Elektrode 8 einen
entsprechend bemessenen Gleichrichter einschalten. Man erreicht dann denselben Effekt
wie bei einer Fotohalbleiterschicht mit Gleichrichterwirkung. Der Unterschied besteht
hierbei darin, daß die Durchlaßrichtung des Gleichrichters für die Erzeugung der
lichtsteuernden Konzentrationsänderung ausgenutzt wird, während es bei einem Fotohalbleiter
mit Gleichrichterwirkung die Sperrichtung des Fotohalbleiters ist. Dieser Gleichrichter
kann auch in Form einer Sperrschicht zwischen der Elektrode 8 und der Fotohalbleiterschicht
7 angeordnet sein, oder auch zwischen der Fotohalbleiterschicht 7 und dem Elektrodenraster
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