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Statisch wirkender Lichtverschluß mit einem Bariumtitanatkristallplättchen
und Verfahren zur Herstellung eines BaTi0"-Kristalls für diesen Lichtverschluß Die
Erfindung betrifft einen statisch wirkenden Lichtverschluß mit einem Bariumtitanatkristallplättchen,
das auf den beiden senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung stehenden Flächen
mit je
einer lichtdurchlässigen, an einen Impulsgenerator angeschlossenen
Elektrode belegt und zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren angeordnet ist.
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Die Erfindun- betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines
BaTi0.-KristAs für einen statisch wirkenden Lichtverschluß.
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Zum Stand der Technik wurde ein fotografischer Verschluß bekannt,
der mit einem BaTiO.-Kristall als elektrooptisches Element arbeitet. Hierbei ist
der Kristall auf seinen beiden großen, senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung
stehenden Flächen mit je einer lichtdurchlässigen Elektrode belegt, die an
einen Impulsgenerator angeschlossen sind, Der Kristall ist ferner zwischen zwei
gekreuzten Polarisatoren angeordnet. Bei Fehlen einer Spannung an den Elektroden
ist der Kristall geschlossen, d. h., Lichtstrahlen treten nicht hindurch.
Bei Einwirken einer elektrischen Spannung wird der Einbereichkristall zum Mehrbereichkristall
und läßt in Abhängigkeit von der Stärke und Dauer der angelegten Spannung eine bestimmte
Lichtmenge hindurch. Dieser Verschluß arbeitet nach dem Kerr-Effekt, und zum Betrieb
solcher Verschlüsse sind Spannungen von 1000V erforderlich.
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Demgegenüber wird gemäß der Erfindung die Schaffung eines Lichtverschlusses
angestrebt, der bei geringem Energieaufwand betrieben werden kann, und zwar in äußerst
befriedigender Weise mit Spannun-en kleiner als 10 V.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird für einen, Lichtverschluß der eingangs
genannten Gattung vorgeschlagen, daß das BaTi02-Kristallplättchen genau zwei Bereiche
aufweist, deren Polarisiationsachsen einen Winkel von etwa 901 bilden, und
die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen durch das elektrische Feld zwischen
den Elektroden verschiebbar ist. Zur Betätigung dieses Lichtverschlusses genügt
es, lediglich die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen zu verschieben, was mittels
einer ganz geringen Spannung geschehen kann.
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Die Eigenschaften der ferroelektrischen Kristalle, insbesondere die
Eigenschaft, daß sie eine elektrisch orlentierbare Polarisationsachse haben, sind
bekannt. Die Polarisationsachse eines solchen Kristalls orientiert sich, sofern
der Kristall einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, nach einer zur Richtung des
angelegten Feldes möglichst parallelen Richtung. Die Intensität des elektrischen
Feldes., d. h. der Wert der zum Bewirken einer solchen Orientierung erforderlichen
Spannung, ist von der Entfernung zwischen den beiden Seiten des Kristalls, an die
die Spannung angelegt wird, d. h. von der Dicke sowie von der Güte des Kristalls
abhängig. So ist beispielsweise für einen Bariumtitanatkristall (13aTi0,) ein Feld
von einigen Kilovolt pro Zentimeter erforderlich.
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Daraus ergibt sich, daß dann, wenn man einen Kristall in Form eines
sehr dünnen Plättchens, beispielsweise in der Größenordnung eines Zehntelmillimeters,
vorsieht, eine, Spannung von etwa 20 bis IO(YV zum Orientieren seiner Polarisationsachse
senkrecht zu seiner Ebene ausreicht. Leider verlangt die Um- oder Neuorientierung
dieser Achse entsprechend einer anderen Richtung, insbesondere der zur Ebene des
Kristalls parallelen Richtung, auf Grund der die beiden Enden des Plättehens, an
die die Spannung angelegt werden muß, voneinander trennenden Entfernung eine sehr
hohe Spannung. Es ist
selbstverständlich, daß dieVerwendung eines
solchen Kristalls in elektronisch gesteuerten Vorrichtungen, die bei einer niedrigen
Steuerspannung arbeiten müssen, nicht in Betracht kommt.
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Bekanntlich kann ein ferroelektrischer Kristall ein Einbereich- oder
Vielbereichkristall sein. Im ersten Fall handelt es sich um einen in einer einzigen
Richtung polarisierten Kristall. Im zweiten Fall handelt es sich dagegen um einen
Kristall, der mehrere in verschiedenen Richtungen polarisierte Abschnitte aufweist,
von denen jeder also einen Bereich bildet, dessen Polarisationsachse anders orientiert
ist. Die Grenze zwischen zwei benachbarten Bereichen bildet also eine Art Wand.
Die Orientierung dieser Wand ist offenbar von der Orientierung der Polarisationsachsen
der beiden Bereiche, die sie voneinander trennt, abhängig.
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Es ist bekannt, daß man zwei Bereiche mit unterschiedlicher Orientierung
voneinander trennende Wand mittels eines in der Zone der Wand einwirkenden elektrischen
Feldes in einem gewissen Ausmaß verschieben kann. Die Wand verschiebt sich dann
in der Weise, daß der Bereich, dessen Orientierung in bezug auf das angelegte Feld
günstiger ist, auf Kosten des anderen Bereichs vergrößert wird. Dies bedeutet, daß
man durch Umkehrung der Richtung des Feldes, dem ein Zweibereichkristall ausgesetzt
ist, eine die beiden Bereiche mit unterschiedlicher Orientierung trennende Wand
beiderseits der Stellung, die sich beim Fehlen des Feldes einnimmt, verschieben
kann.
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Das gibt die Möglichkeit des Veränderns der Orientierung der Polarisationsachse
in einer Zone eines ferroelektrischen Kristalls mit zwei Bereichen unterschiedlicher
Orientierung, insbesondere in der Zone der diese beiden Bereiche voneinander trennenden
Wand, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes, entsprechend der Polarisationsachse
eines der beiden Bereiche und durch Umkehrung der Richtung dieses Feldes.
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Dies bedeutet praktisch, daß es genügt, wenn man über einen Zweibereichkristall
in Form eines sehr dünnen Plättchens verfügt, bei dem einer der Bereiche entsprechend
der Ebene des Plättchens und der andere Bereich zu dieser Ebene senkrecht orientiert
ist, um die Orientierung einer Zone des Kristalls mittels einer an die beiden Seiten
des Plättchens angelegten Spannung um 901 verändern zu können. Diese Spannung
ist von der Dicke des Plättchens abhängig und läßt sich, wie vorstehend -erläutert,
auf einen annehmbaren Wert herabsetzen.
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Nun haben mittels bekannter Verfahren hergerichtete ferroelektrische
Kristalle, insbesondere Bariumtitanatkristalle, im allgemeinen die Form von Plättchen
mit einerVielbereichstruktur, d. h. mit mehreren unterschiedlich orientierten
Bereichen. Der Bariumtitanatkristall ist von Bedeutung auf Grund seiner pseudokubischen
Struktur bei Umgebungstemperatur, woraus sich dei Bildung von Bereichen ergibt,
deren Orientierung um fast 901 voneinander abweicht. Außerdem neigt Bariumtitanat
stark zur Bildung von dünnen Plättchen, bei denen die Bereiche entweder parallel
oder senkrecht zur Ebene des Plättchens orientiert sind. Die Größe und die Anordnung
dieser Bereiche sind beliebig, so daß das vorstehend erörterte, sich aus der Verschiebung
einer zwei Bereiche voneinander trennenden Wand ergebenden Phänomen bei solchen
Kristallen nicht ausgenutzt werden kann. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht
nun die Herstellung eines Bariumtitanatkristalls mit genau zwei Bereichen, deren
Polarisationsachsen einen Winkel von etwa 901 bilden. Dieses Verfahren ist
gekennzeichnet durch Erwärmung eines Vielbereich-Bariumtitanatkristallplättchens
bis auf eine seinem Curie-Punkt angenäherte Temperatur, Abkühlung und gleichzeitige
Aussetzung des Plättchens, einem zu seiner Ebene parallelen elektrischen Feld und
Aussetzun 'g eines Kristallplättchenabschnittes einem zu dessen Ebene senkrechten
elektrischen Feld.
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Die Erfindung wird an einem in den Zeichnungen dargestellten Beispiel
erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht eines Vielbereichkristalls,
F i g. 2 und 3 zwei aufeinanderfolgende Vorgänge des Verfahrens nach
der Erfindung, F i g. 4 einen Kristall nach der Erfindung, der mit transparenten
Elektroden versehen ist, die an eine Spannungsquelle angeschlossen werden sollen,
und F i g. 5 einen Schnitt durch einen den Kristall nach der Erfindung verwendenden
statisch wirkenden Lichtverschluß.
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Zur Herstellung des BaTiO -Kristallplättchens geht man von einem Vielbereichkristall
1 in Form eines sehr dünnen rechteckigen Plättchens aus. In F i
g. 1, die ein solches Plättchen in Seitenansicht darstellt, sind die die
unterschiedlich polarisierten Bereiche voneinander trennenden Wände mit 2 bezeichnet,
wobei die Pfeile die Polarisationsrichtungen angeben. Ein mit zwei Elektroden
3 und 4, beispielsweise aus kolloidalem Silber, und zwar je an einer
der beiden zu seiner Ebene (F i g. 2) senkrechten Stirnseiten versehener
Kristall 1 wird bis auf eine Temperatur nahe dem Curie-Punkt, im vorliegenden
Fall für Bariumtitanat nahe 1201 C, erwärmt. Darauf läßt man den Kristall
abkühlen, indem man ihn einem elektrischen Feld in der Größenordnung von
1 kV/cm aussetzt. Hierzu werden die Elektroden 3
und 4 an eine Gleichspannungsquelle
angeschlossen, beispielsweise die Elektrode 3 an den Pluspol und die Elektrode
4 an den Minuspol dieser Quelle.
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Der Kristall wird der Einwirkung des Feldes ausgesetzt, bis er bis
auf die Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Daraus ergibt sich dann eine gleichmäßige
Polarisation des Kristalls entsprechend dem Pfeil 5, d. h. entsprechend der
Richtung des angelegten Feldes. Auf diese Weise erhält man einen Einbereichkristall
(F i g. 2).
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Darauf bringt man auf jeder Seite des Kristalls Elektroden
3 a und 4 a, beispielsweise in Form von im Vakuum aufgedampften Metallschichten,
in der Weise an, daß sie etwa eine Hälfte des Kristalls (F i g. 3) bedecken,
worauf man ein elektrisches Feld in der Größenordnung von einigen Kilovolt pro Zentimeter
anlegt. Daraus ergibt sich eine Um- oder Neuorientierung der Polarisationsachse
eines Ab-
schnittes des Kristalls, und zwar des durch die Elektroden bedeckten
Abschnittes, wie es durch den Pfeil 6 angedeutet ist. Man erhält einen Zweibereichkristall,
wobei die beiden Bereiche durch eine Wand 7 voneinander getrennt sind. Die
beiden durch Pfeile 5 und 6 symbolisch dargestellten Polarisationsachsen
bilden einen Winkel von etwa 90', wobei die Neigung der Wand 7 in
bezug auf die Ebene des Kristalls etwa 45' beträgt.
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F i g. 4 zeigt einen Kristall 1, der mit zwei transparenten
Elektroden 8 und 9, beispielsweise aus
Indiumoxyd,
und zwar je einer auf jeder seiner Seiten, versehen ist, die so angebracht
sind, daß sie beiderseits der Wand 7 einen Abschnitt des Kristalls bedecken.
Indem man an die Elektroden 8 und 9
eine Spannung in der Größenordnung
von 500 V pro Zentimeter Dicke des Kristalls in der Weise anlegt, daß das
elektrische Feld entsprechend dem Pfeil 6 gerichtet ist, verschiebt sich
die Wand 7 nach rechts bis in die strichpunktiert angedeutete Stellung 7a.
Daraus ergibt sich also eine Vergrößerung des entsprechend dem Pfeil 6 polarisierten
Bereichs und eine Verringerung des entsprechend dem Pfeil 5
polarisierten
Bereichs.
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Wenn man nun an die Elektroden 8 und 9 eine Spannung
in der Weise anlegt, daß das elektrische Feld entsprechend der der Richtung des
Pfeiles 6
entgegengesetzten Richtung gerichtet ist, verschiebt sich die Wand
7 nach links bis in die- strichpunktiert angedeutete Stellung 7 b,
was also eine Vergrößerung des entsprechend dem Pfeil 5 polarisierten Bereichs
und eine Verringerung des entsprechend dem Pfeil 6
polarisierten Bereichs
mit sich bringt.
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Man erhält also die Möglichkeit des Veränderns der Orientierung der
Polarisationsachse eines beiderseits der Wand 7 lie-:,enden Abschnittes des
Kristalls 1
durch Umkehrung der Richtung des elektrischen Feldes, das durch
eine Spannung erzielt wird, die an ein Paar Elektroden angelegt wird, von denen
je eine auf jeder der beiden Seiten des Kristalls befestigt ist.
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Das vorstehend beschriebene Phänomen läßt sich mit Hilfe von zwei
gekreuzten Polarisationsfiltern leicht überprüfen. Indem man nämlich den in F i
g. 4 dargestellten mit den transparenten Elektroden 8 und
9 versehenen Kristall zwischen zwei Polarisationsfiltern anordnet und die
Elektroden an eine Stromquelle anschließt, die Spannungsünpulse mit wechselndem
Vorzeichen liefert, stellt ein durch die so gebildete Einheit von der dem Eintritt
des Lichts entgegengesetzte Seite hindurchblickender Beobachter fest, daß ein Abschnitt
des Kristalls, und zwar der zwischen den beiden extremen Stellungen 7a und
7b der Wand7 enthaltene Abschnitt, im Rhythmus des Vorzeichenwechsels der
Spannungsimpulse abwechselnd dunkel und hell wird.
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In F i g. 5 ist eine Ausführungsform für einen statisch wirkenden
Lichtverschluß schematisch dargestellt. Er enthält einen entsprechend dem vorhergehend
dargestellten Kristall 1, der mit zwei transparenten Elektroden
8 und 9 versehen ist, die an eine Spannungsimpulse mit welchselnden
Vorzeichen liefernde Stromquelle 10 angeschlossen sind. Der Kristall
1 ist zwischen zwei gekreuzten Polarisationsfiltern 11 und 12 angeordnet.
Auf der Außenseite jedes der Filter 11 und 12 wird ein lichtundurchlässiges Plättchen
13 bzw. 14 angebracht, das mit einem Fenster 15 bzw. 16 versehen
ist. Die beiden Fenster 15 und 16 werden beiderseits des zwischen
den beiden extremen Stellungen7a und 7b der Wand 7 enthaltenden Abschnittes
des Kristalls einander gegenüberliegend angeordnet.
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Der vorstehend beschriebene statisch wirkende Lichtverschluß arbeitet
wie folgt: Die Wand 7 befindet sich, je, nachdem, ob das elektrische
Feld infolge des durch die Stromquelle 10
gelieferten letzten Spannungsimpulses
die gleiche oder die den Pfeil 6 entgegengesetzte Richtung hatte, in der
einen oder anderen ihrer beiden extremen Stellunaen 7a und 7b. Es sei angenommen,
daß sie CD
sich in der Stellung 7a befindet. Der durch das Fenster
15 sichtbare Abschnitt des Kristalls ist also entsprechend dem Pfeil
6 polarisiert. Das durch das Fenster 15 in Richtung des Pfeiles
17 eintretende Licht wird durch den Filter 11 polarisiert und, da
es durch das Vorhandensein des Kristalls 1 keinerlei Veränderung erfährt,
tritt es nicht durch den Filter 12 hindurch. Ein in das Fenster 16 hineinblickender
Beobachter kann nicht durch die Vorrichtung hindurchsehen. Diese erfüllt also die
Aufgabe eines geschlossenen Lichtverschlusses.
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Wenn jetzt an die Elektroden 8 und 9 ein Spannungsimpuls
in der Weise angelegt wird, daß das elektrische Feld in der Richtung des Pfeiles
6 entgegengesetzter Richtung gerichtet wird, verschiebt sich die Wand
7 aus der Stellung 7 a in die Stellung 7b. Der durch das Fenster
15 hindurch sichtbare Abschintt des Kristalls wird also entsprechend dem
Pfeil 5 polarisiert. Ein Teil des durch den Filter 11
polarisierten
Lichtes wird also durch den Kristall 1
umpolarisiert, so daß er durch den
Filter 12 hindurchtreten kann. Dies genügt, damit ein in das Fenster 16 hineinblickender
Beobachter durch die Vorrichtung hindurchsehen kann. Die Vorrichtung erfüllt also
jetzt die Aufgabe eines geöffneten Lichtverschlusses.
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Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, ist die in F i g. 5 dargestellte
Vorrichtung effektiv ein statisch wirkender Lichtverschluß, dessen Öffnen und Schließen
durch an die Elektroden 8 und 9 angelegten Spannungsimpulse mit wechselnden
Vorzeichen gesteuert werden.
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Es sei bemerkt, daß, sofern die Dicke des Filters 11, der Elektroden
8 und 9 sowie des Kristalls 1
gering ist, das das Fenster
16 aufweisende Plättchen 14 weggelassen werden kann. Außerdem sind, sofern
die Dicke des Strahlenbündels in Richtung des Pfeiles 17 gleich oder kleiner
als der die beiden extremen Stellungen 7 a und 7 b der Wand
7 voneinander trennende Abstand ist, die Fenster 15 und
16
und folglich die Abdeckungen oder Masken bildenden Plättchen
13 und 14 nicht erforderlich-