DE1179640B

DE1179640B - Anordnung zur Lichtsteuerung

Info

Publication number: DE1179640B
Application number: DEJ20659A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinrich Hora
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1961-10-16
Filing date: 1961-10-16
Publication date: 1964-10-15
Also published as: US3360324A; GB987276A

Description

Anordnung zur Lichtsteuerung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lichtsteuerung mittels einer durch elektrische Felder beeinflußbaren Substanz.
Es ist bekannt, Lichtstrahlen mit Hilfe mechanisch bewegter Blendenanordnungen zu steuern. Diese aus der Fototechnik als Verschlüsse bekannten Anordnungen ermöglichen Öffnungszeiten bis zu 10-3 Sekunden und haben sich für die meisten Gebiete der Fotografie seit Jahren bewährt.
Für kürzere COffnungszeiten hat man sogenannte elektrooptische Verschlüsse entwickelt, die als elektrische Bildwandler, als Kerrzellen oder als ferroelektrische Kondensatoren ausgebildet wurden. Mit diesen Anordnungen können Verschluß- bzw. Öffnungszeiten bis herunter zu 10-9 Sekunden verwirklicht werden. Neben der außerordentlich schnellen Arbeitsweise haben diese Verschlüsse weiterhin den großen Vorteil, daß sie, bedingt durch das Fehlen mechanisch bewegter Teile, keinerlei Verschleiß unterworfen sind. Die Nachteile dieser Anordnungen, die in bezug auf Schnelligkeit, Sicherheit und Verschleißfestigkeit auch den höchsten Anforderungen genügen, bestehen in dem relativ hohen technischen Aufwand, ihrer Kompliziertheit sowie in der Tatsache, daß zur Steuerung elektrische Spannungen von mehreren tausend Volt erforderlich sind. Darüber hinaus sind die meisten dieser Anordnungen sehr groß und sperrig, so daß sie für viele Zwecke nur bedingt verwendbar sind. Die in der deutschen Auslegeschrift 1104 610 beschriebene Anordnung läßt sich zwar mit Steuerspannungen von wenigen Volt betreiben, ist aber, nachdem der Steuereffekt auf lonenwanderung beruht, um mehrere Größenordnungen langsamer als die oben beschriebenen elektrooptischen Verschlüsse.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung bei einer Anordnung zur Lichtsteuerung mittels einer durch elektrische Felder beeinflußbaren Substanz vorgesehen, daß ein nahe dem Totalreflexionswinkel oder im Totalreflexionswinkel zwischen den Begrenzungsflächen der Substanz mehrfach reflektierter Lichtstrahl auf Grund des Goos-Hähnchenschen Seitenversetzungseffektes bei Anlegen eines elektrischen Feldes bei jeder Reflexion um einen dem Felde proportionalen Betrag parallel zu sich selbst verschoben wird. Da der Strahl, wie schon gesagt, innerhalb der Substanz mehrfach hin- und herreflektiert wird, ergeben sich beim Austritt des Strahles aus dieser Substanz Versetzungen, die der Summe der einzelnen Versetzungen bei jeder Reflexion gleich sind. Der Goos-Hähnchensche Seitenversetzungseffekt besteht darin, daß ein sehr nahe dem Winkel der Totalreflexion an einer Grenzfläche reflektierter Strahl nicht von derselben Stelle der Grenzfläche zurückgeworfen, sondern in der Einfallsrichtung seitlich versetzt wird. Da der Grenzwinkel der Totalreflexion von der Brechzahldifferenz der sich an der Grenzfläche berührenden Substanzen abhängt, ist es möglich, die Verschiebung des Austritts eines Strahles durch Änderungen der Brechzahlen einer oder beider dieser Substanzen zu steuern. Es ist daher gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgedankens eine Anordnung vorgesehen, bei der die die Verschiebung des Lichtstrahles bewirkende Vorrichtung aus einer mit Kondensatorbelägen versehenen lichtleitenden planparallelen Platte besteht.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgedankens wird in den Weg des austretenden Strahles eine reflektierende, vorzugsweise gekrümmte Flächenanordnung gebracht, durch die kleine Verschiebungen des austretenden Lichtstrahles in große Winkelablenkungen verwandelt werden.
Der aus einer derartigen Anordnung austretende, steuerbar verschiebbare bzw. ablenkbare Lichtstrahl wird auf eine aus Lichtkanälen, Lichtleitern, lichtempfindlichen Elementen od. dgl. bestehende Anordnung gelenkt. Je nach der Stärke des angelegten elektrischen Feldes trifft der Strahl auf eines dieser Aufnahmeorgane, durch die nachgeordnete optische oder elektrische Kreise gesteuert werden. Es ist auch möglich, den Querschnitt des Strahles so zu wählen bzw. die einzelnen der genannten Organe so anzuordnen, daß jeweils mehrere von ihnen gleichzeitig beaufschlagt werden. Auf diese Weise ergibt sich ein Zwei- oder Mehrwegschalter für Strahlenbündel. Wird der Strahl bei einem bestimmten Zustand des Feldes auf eine Blende oder ein ihn unschädlich machendes Ablenkelement, bei einem anderen Zustand des Feldes jedoch auf ein Auswertorgan geleitet, so ergibt sich der Spezialfall eines Lichtverschlusses. Soll der Strahl hingegen in Abhängigkeit von der Stärke des angelegten elektrischen Feldes moduliert werden, so wird in dem Weg des austretenden Strahles eine Blende derart angeordnet, daß der Strahl in einer Grenzlage ungehindert durchtreten kann, in der anderen Grenzlage vollständig unterbrochen wird, während er in den einzelnen Zwischenlagen mehr oder weniger stark geschwächt wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgedankens werden die Eintritts-bzw. Austrittsflächen des Lichtleiters so angeordnet, daß der eintretende bzw. austretende Strahl sie jeweils senkrecht durchsetzt. Auf diese Weise werden unerwünschte, auf Streuungs- oder Beugungseffekten beruhende Lichtverluste und sonstige unerwünschte Nebenerscheinungen weitgehendst vermieden. Es ist aber auch möglich, die Eintrittsfläche des lichtleitenden Körpers so auszubilden, daß sie einen spitzen Winkel mit der Richtung des eintretenden Lichtstrahles bildet, so daß bei Änderungen des Brechungsindexes durch Änderung des Brechungswinkels eine Änderung der Reflexionswinkel des im Inneren der Substanz mehrfach reflektierten Strahles verursacht wird. Diese Änderung der Reflexionswinkel ergibt an jedem Reflexionspunkt eine weitere seitliche Verschiebung des Lichtstrahles, die sich zu der durch den Seitenversetzungseffekt bewirkten Verschiebung addiert.
Zweckmäßigerweise werden die Winkel des einfallenden Lichtstrahles und der Eintrittsfläche dabei so gewählt, daß der für den Goos-Hähnchenschen Seitenversetzungseffekt optimale Winkel bei Veränderung des elektrischen Feldes durch die Summierung der durch die steuerbare Beugung und die Veränderung des Grenzwinkels der Totalreflexion hervorgerufenen Effekte erreicht wird. Eine nach diesen Gesichtspunkten aufgebaute Anordnung ist außerordentlich empfindlich, da sich allein in der lichtleitenden Substanz drei Effekte, 'nämlich die Versetzung durch den Goos-Hähnchenschen Effekt, die Versetzung durch die Änderung des Beugungswinkels und eine durch die zuletzt genannte Änderung bedingte Steigerung des erstgenannten Effektes, summieren. Die beschriebene Anordnung hat gegenüber den bisher bekannten Anordnungen den Vorteil, konstruktiv außerordentlich einfach und daher billig, mechanisch außerordentlich widerstandsfähig und verhältnismäßig klein zu sein. Als weiterer Vorteil sind die relativ geringen zur Steuerung erforderlichen Spannungen zu betrachten, da selbst relativ geringe Versetzungen an einzelnen Reflexionspunkten durch die häufige Umkehrung des Strahles zu technisch verwertbaren Gesamtversetzungen führen, die durch die weiter oben erwähnten Reflexions- bzw. Ablenkflächen in beträchtliche Winkelablenkungen umgewandelt werden können. Die Ablenkung des aus dem lichtleitenden Körper austretenden Strahles kann selbstverständlich auch durch linsenähnliche Elemente erfolgen. Eine weitere Steigerung des Effektes ist dadurch zu erreichen, daß der Strahl an Grenzflächen von Substanzen reflektiert wird, die unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes ihre Brechungsindizes in verschiedenen Richtungen ändern. Die Erfindung erstreckt sich auch auf lichtleitende Körper, deren Form von der geraden abweicht, also beispielsweise auf zylinder- oder spiralförmig gekrümmte lichtleitende Elemente.
Die zum Aufbau der vorliegenden Anordnung zu verwendenden Substanzen sollen einen starken Kerreffekt aufweisen, wie das beispielsweise bei Schwefel-Kohlenstoff, Kalium-Dihydroaenphosphat od. dgl. der Fall ist.
Die Erfindung wird anschließend an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Das aus der monokromatischen Lichtquelle 1 austretende Licht wird durch die Linse 2 parallel gemacht. Ein schmaler Bereich 4 des durch die Blende 3 hindurchtretenden Lichtes tritt in den beispielsweise aus Kalium-Dihydrogenphosphat bestehenden Körper, in dem sein weiterer Verlauf der Einfachheit halber durch eine einzige Linie 6 dargestellt wird. Die Richtung des Strahles 6 ist so gewählt, daß an der unteren Grenzfläche des Körpers 5 und weiterhin auch an der oberen Grenzfläche jeweils Totalreflexion stattfindet. Dieser im folgenden mit a bezeichnete Winkel ist so gewählt, daß die Totalreflexion noch unter einem vom Grenzwinkel um einen endlichen Betrag von mehr als 0,001 Radiant (1° - =r/180 Ra diant) verschiedenen Winkel erfolgen kann. Wie aus der Figur weiter zu ersehen, verläßt der Strahl 6 nach mehreren Reflexionen den Körper 5 und trifft auf die reflektierende, gekrümmte Fläche 7 auf, von der er unter dem gleichen Winkel reflektiert wird. Der planparallele Körper 5 ist weiterhin mit zwei Elektroden 11 und 12 versehen, die über den Schalter 13 mit der Spannungsquelle 14 verbunden sind. Die Elektroden 11 und 12 sind mittels einer Substanz auf dem Körper 5 befestigt, die einen derartigen Brechungsindex aufweist, daß die gewünschte Brechzahldifferenz an den Grenzflächen des Körpers 5 sichergestellt ist. Durch Schließen des Schalters 13 wird zwischen den Elektroden 11 und 12 ein elektrisches Feld erzeugt, das den Brechungsindex des Körpers 5 verändert. Durch die Veränderung dieses Brechungsindexes werden die Grenzwinkel der Totalreflexion an den Reflexionspunkten des Strahles 6 derart verändert, daß auf Grund des Goos-Hähnchenschen Effektes der reflektierte Strahl nicht von derselben Stelle der Grenzfläche zurückgeworfen wird, auf die der eintreffende Strahl auffällt. Da diese Seitenversetzung bei jeder Reflexion auftritt, ergibt sich beim Austritt des Strahles, wie aus der Figur zu ersehen ist eine Gesamtversetzung die der Summe der einzelnen Versetzungen entspricht. Der unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes entstehende Strahlenverlauf ist in der Figur durch die gestrichelte Linie 8 dargestellt. Der Strahl 8 verläßt den Körper 5 in einer entsprechend versetzten Stellung und trifft dabei unter einem anderen Winkel auf die reflektierende Fläche 7 auf. Im Bereich des Schwenkungswinkels der Strahlen 6 bzw. 8 befindet sich die Blende 15, in die eine Anzahl von Lichtleitern 16 mündet. Bei Fehlen eines elektrischen Feldes wird der mit 6 bezeichnete Strahl in den obersten Lichtleiter 16 gelenkt, durch den er zu einer nicht dargestellten Auswerteinrichtung geleitet wird. Wird der Schalter 13 geschlossen, so entsteht zwischen den Elektroden 11 und 12 ein elektrisches Feld, durch das der Strahl den durch die Bezugsziffer 8 dargestellten Verlauf nimmt und in den untersten der Lichtleiter 16 eintritt, von wo er zu einem anderen Auswertelement gelangt. Wird bei geschlossenem Schalter 13 der Widerstand 17 verändert, so wird, bedingt durch die Veränderungen des zwischen den Elektroden 11 und 12 gebildeten elektrischen Feldes, der Lichtstrahl zwischen den durch die Linien 6 und 8 bezeichneten Grenzlagen bewegt und tritt je nach der Stärke des vorliegenden Feldes in einen der Lichtleiter 16 ein. Es ist auch möglich, den Lichtstrahl so breit auszubilden, daß er bei seiner Schwenkbewegung abwechselnd einen bzw. zwei Lichtleiter beaufschlagt.
Es ist ferner auch möglich, anstatt den Brechungsindex des lichtleitenden Körpers 5 den Brechungsindex der an den Grenzflächen dieses Körpers liegenden Substanzen zu verändern. Das für diese Änderungen erforderliche elektrische Feld wird zweckmäßigerweise durch für jede Reflexionsfläche gesonderte Elektrodenpaare erzeugt.

Claims

Patentansprüche: 1. Anordnung zur Lichtsteuerung mittels einer durch elektrische Felder beeinflußbaren Substanz, dadurch gekennzeichnet, daß ein nahe dem Totalreflexionswinkel oder im Totalreflexionswinkel zwischen den Begrenzungsflächen der Substanz mehrfach reflektierter Lichtstrahl auf Grund des Goos-Hähnchenschen Seitenversetzungseffektes bei Anlegung eines elektrischen Feldes bei jeder Reflexion um einen dem Felde proportionalen Betrag parallel zu sich selbst verschoben wird, derart, daß der austretende Strahl die Substanz um einen der Summe der Teilverschiebungen gleichen Betrag versetzt verläßt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine relativ kleine Verschiebung des austretenden Lichtstrahles in große Winkelablenkungen umsetzende, reflektierende, vorzugsweise gekrümmte Flächenanordnung.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der austretende bzw. abgelenkte Lichtstrahl in Abhängigkeit vom Vorliegen oder Nichtvorliegen bzw. von der Stärke des steuernden elektrischen Feldes jeweils einem oder mehreren von einer gegebenen Anzahl von Lichtkanlälen, Lichtleitern, lichtempfindlichen Elementen od. dgl. zugeführt wird.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der austretende bzw. abgelenkte Lichtstrahl bei Vorliegen bzw. Nichtvorliegen eines elektrischen Feldes in den Bereich einer ihn absorbierenden oder ablenkenden Blende bzw. an ein Element zur Weiterleitung oder Weiterverwertung oder umgekehrt gelangt.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine im Wege des austretenden bzw. abgelenkten Lichtstrahles angeordnete Blendenanordnung, die den Strahl in Abhängigkeit von der Stärke des angelegten elektrischen Feldes entweder ganz oder teilweise unterbricht.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verschiebung des Lichtstrahles bewirkende Substanz aus einer mit Kondensatorbelägen versehenen lichtleitenden planparallelen Platte besteht.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch jeweils senkrecht zu den Richtungen des eintretenden und des austretenden Lichtstrahles liegende Eintritts- bzw. Austrittsflächen des lichtleitenden Körpers. B. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine spitzwinklig zur Richtung des eintretenden Lichtstrahles liegende Eintrittsfläche des lichtleitenden Körpers, die bei Änderungen des Brechungsindexes durch Änderung des Brechungswinkels eine Änderung der Reflexionswinkel des im Inneren der Substanz mehrfach reflektierten Strahles erzeugt, derart, daß die dadurch bedingte steuerbare Verschiebung des austretenden Strahles zur der durch den Seitenversetzungseffekt bewirkten Verschiebung addiert wird. 9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine derartige Wahl der Winkel des einfallenden Lichtstrahles und der Eintrittsfläche, daß der für den Goos-Hähnchenschen Seitenversetzungseffekt optimale Reflexionswinkel durch Summierung der durch die steuerbare Beugungsänderung und durch die steuerbare Änderung des Grenzwinkels der Totalreflexion hervorgerufenen Effekte erreicht wird. 10. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Auslösung des Goos-Hähnchenschen Effektes erforderliche Änderung des Brechungsindexes in der lichtleitenden Substanz und/oder in den an deren Grenzflächen anliegenden Substanzen gegebenenfalls durch besondere Elektrodensysteme ausgelöst wird. 11. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verschiebung des Lichtstrahles bewirkende Substanz aus einem einen starken Kerreffekt aufweisenden Stoff, beispielsweise aus Schwefel-Kohlenstoff, Kalium-Dihydrogenphosphat od. dgl., besteht. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1104 610.