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Lichtsteueranordnung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur steuerbaren
Ablenkung eines Lichtstrahles mittels zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordneter
elektrooptisch oder piezooptisch aktiver Kristalle.
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Für viele Anwendungsgebiete der Technik sind sogenannte Flying-Spot-Generatoren
oder Lichtpunktabtaster erforderlich, bei denen ein Lichtpunkt entlang eines Fernsehrasters
über eine Fläche bewegt wird. Die bekannteste Art dieser Lichtpunktgeneratoren sind
die Kathodenstrahlröhren, bei denen der Kathodensrahl ein Fernsehraster auf dem
Leuchtschirm beschreibt und dadurch einen Lichtpunkt erzeugt, der die Fläche eines
Rechtecks Zeile für Zeile, im allgemeinen von links nach rechts und von oben nach
unten, überstreicht. Diese Anordnungen haben aber den Nachteil, daß die erzielbaren
Lichtintensitäten trotz des hohen technischen Aufwandes relativ klein sind.
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Weiterhin sind mechanische Lichtablenker bekanntgeworden, bei denen
ein z. B. sehr heller Lichtstrahl durch Spiegel, Prismen oder dergleichen Elemente
steuerbar um wählbare Beträge ablenkbar ist. Die mit dieser Art von Lichtstrahlablenkern
erreichbaren Ablenkgeschwindigkeit sind, sofern eine dem angelegten Steuersignal
analoge und mit diesem sich zeitgerecht ändernde Ablenkung gefordert wird, für die
meisten Anwendungen der Technik zu klein. Trotz der großen erzielbaren Helligkeiten
können diese Lichtstrahlablenker daher in den meisten Anwendungsgebieten die obenerwähnten
Kathodenstrahlröhren nicht ersetzen.
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Bei einer dritten Art von Lichtablenkern wird mit Hilfe elektrooptischer
Anordnungen eine sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeit erzielt. Diese bekannten Anordnungen
enthalten einen elektrooptisch aktiven Kristall, der zwischen gekreuzten Polarisatoren
angeordnet ist. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden, die an einander
gegenüberliegenden Flächen des elektrooptischen Kristalls aufgebracht sind, wird
eine steuerbare Phasendifferenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen
Strahl erzeugt, so daß sich, abhängig vom resultierenden Polarisationszustand, eine
Aufhellung oder Verdunklung des Gesichtsfeldes hinter dem Analysator ergibt. Eine
bekannte Ausführungsform besteht aus einem Mosaik von elektrooptischen Verschlüssen,
die selektiv geöffnet werden können. An den geöffneten Stellen kann das Licht durch
die im übrigen lichtundurchlässige Fläche des Verschlußmosaiks hindurchtreten. Ein
wesentlicher Nachteil dieser Anordnung besteht in der schlechten Lichtausbeute und
dem großen Aufwand für die Steuerung der elektrooptischen Verschlüsse, da jeder
Verschluß einzeln ansteuerbar sein muß.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lichtsteueranordnung
anzugeben, durch welche die besagten Nachteile beseitigt werden. Die Erfindung betrifft
somit eine Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Lichtstrahles mittels zwischen
gekreuzten Polarisatoren angeordneter elektrooptisch undi oder piezooptisch aktiver
Kristalle, in denen durch Anlegen einer Spannung eine Phasendifferenz zwischen ordentlichem
und außerordentlichem Strahl erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß sind die elektrooptisch und/oder die piezooptisch
aktiven Kristalle so ausgebildet, daß die resultierende Phasendifferenz außer von
ihren optischen Eigenschaften auch vom Ort abhängt, derart, daß hinter dem Analysator
mindestens ein Helligkeitsmaximum und ein Helligkeitsminimum entstehen, die durch
steuerbare Veränderung der besagten Phasendifferenz in einer zum Gradienten der
Phasendifferenz parallelen Richtung verschiebbar sind.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
ist der aus einem elektrooptisch oder piezooptisch aktiven Kristall bestehende lichtdurchlässige
Körper keilförmig und durch steuerbar anlegbare, veränderliche elektrische Felder
und/oder mechanische Spannungen so in seinen optischen Eigenschaften veränderbar,
daß die einzelnen, entlang einer senkrecht zur Basis des Keils verlaufenden Linie
verteilten Werte der Phasendifferenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen
Strahl, und somit auch das Helligkeitsmaximum, entlang der genannten Linie verschoben
werden.
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Gemäß einer anderen Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist zwischen
den beiderseits des lichtdurchlässigen,
vorzugsweise als Quarzkeil
ausgebildeten Körpers angeordneten Polarisatoren zusätzlich ein elektrooptisch oder
piezooptisch aktives Element zur steuerbaren Veränderung der Phasendifferenz zwischen
ordentlichem und außerordentlichem Strahl vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform
wird die steuerbare Veränderung der Phasendifferenzen zwischen außerordentlichem
und ordentlichem Strahl vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform wird die steuerbare
Veränderung der Phasendifferenzen zwischen außerordentlichem und ordentlichem Strahl
demnach nicht im lichtdurchlässigen, vorzugsweise als Quarzkeil ausgebildeten Körper,
sondern in einem zusätzlichen Element bewirkt, das diesem Kristall vor- oder nachgeschaltet
ist. In beiden Fällen kann das die Veränderungen der Phasendifferenzen steuernde
elektrische Feld durch beiderseits des zu steuernden Strahlenganges und parallel
zu dessen Fortpflanzungsrichtung angeordnete Elektroden erzeugt werden. In diesem
Fall wird vom sogenannten elektrooptischen Transversaleffekt Gebrauch gemacht. Es
ist aber auch möglich, daß das die Veränderungen der Phasendifferenzen steuernde
elektrische Feld durch im zu steuernden Strahlengang und senkrecht zu dessen Fortpflanzungsrichtung
angeordnete strahlungsdurchlässige Elektroden erzeugt wird. An Stelle der lichtdurchlässigen
Elektroden können auch Gitterelektroden oder Elektroden mit durchgehenden schmalen
Schlitzen verwendet werden, in deren Streufeld die phasenverschiebende Wirkung auf
den Kristall entsteht. Im zuletzt genannten Fall wird von dem sogenannten elektrooptischen
Longitudinaleffekt Gebrauch gemacht. An Stelle des lichtdurchlässigen Körpers können
selbstverständlich auch für entsprechende Wellenlängenbereiche durchlässige Elemente
Verwendung finden.
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Gemäß einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform des
Erfindungsgegenstandes ist ein elektromechanischer Wandler vorgesehen, der in dem
die Veränderungen der Phasendifferenzen steuernden, aus piezooptisch aktivem Material
bestehenden Element mechanische Spannungen oder Deformationswellen erzeugt. Es ist
auch möglich und liegt im Rahmen des Erfindungsgedankens, beide Arten der Steuerung
gleichzeitig und in bestimmten Kombinationen zu verwenden. Die erfindungsgemäße
Anordnung kann auch als mechanisch-optischer Wandler Verwendung finden.
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Ein gewisser Nachteil der oben beschriebenen Anordnungen besteht darin,
daß der vom Analysator durchgelassene Lichtstrahl nicht sehr scharf gebündelt ist
und eine bestimmte Mindestbreite hat, da die durchgelassene Lichtintensität einem
cos2-Gesetz folgt. Durch Hintereinanderschaltungmehrerer Lichtsteueranordnungen
mit zueinander parallelen Ablenkeharakteristiken kann sowohl der Ablenkbereich vergrößert
als auch die Bündelung des abgelenkten Strahles verbessert werden. So ergibt sich
z. B. durch die Hintereinanderschaltung von zwei derartigen Lichtsteueranordnungen
eine Helligkeitsverteilung, die einem cos4-Gesetz entspricht, und durch Hintereinanderschaltung
von drei derartigen Lichtsteueranordnungen eine cosg-Verteilung. Werden zwei der
beschriebenen Lichtsteueranordnungen mitzueinander senkrechten Ablenkrichtungen
hintereinandergeschaltet, so ergibt sich eine Anordnung, die eine zweidimensionale
Verschiebung eines austretenden Lichtstrahles ermöglicht. Der Leuchtfleck bzw. der
Lichtstrahl kann mit diesen Anordnungen demnach wie der Leuchtfleck eines ein Fernsehraster
beschreibenden Lichtpunkt- oder Flying-Spot-Generators geführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind mehrere
Lichtsteueranordnungen mit zueinander parallelen Ablenkrichtungen, jedoch mit verschiedenen
Ablenkcharakteristiken und unterschiedlichen Abständen der Helligkeitsmaxima- und
-minima hintereinandergeschaltet, so daß durch einheitliche elektrische Ansteuerung
dieser Elemente eine regelmäßige Bewegung des Lichtpunktes ermöglicht wird. Auch
eine zusätzliche Modulation des abgelenkten Lichtpunktes ist auf diese Weise zu
erzielen.
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Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform der Lichtsteueranordnung, bei der die Veränderung
der Phasendifferenz im keilförmigen Kristallkörper erzeugt wird, F i g. 2 ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Lichtsteueranordnung, bei der die Veränderung der Phasendifferenzen
in einem besonderen elektrooptischen Element erzeugt wird.
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F i g. 3 eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes zur zweidimensionalen
Ablenkung eines Lichtstrahles im oben beschriebenen Sinn.
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Das von der Lampe 1 ausgehende monochromatische Licht wird in der
Linse 2 parallelgerichtet und im Polarisator 3 linear polarisiert. Das den Polarisator
3 verlassende linear polarisierte Licht wird im keilförmigen, elektrooptischen Kristall
4 in eine ordentliche und eine außerordentliche Komponente aufgespalten,
die den Kristall mit verschiedenen Geschwindigkeiten durchlaufen. Beim Verlassen
des keilförmigen Kristalls 4 treten je nach der im Kristall durchlaufenen Weglänge
Differenzen zwischen der Phasenlage der ordentlichen und der außerordentlichen Komponente
auf, die eine Funktion der optischen Eigenschaften des Kristalls und des Abstandes
von der Keilbasis sind. Je nach der im Kristall 4 zu durchlaufenden Weglänge beträgt
die Phasendifferenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl einen
zwischen 0 und 180° liegenden Wert, d. h., das austretende Licht ist in der ursprünglichen
Lage linear polarisiert, elliptisch polarisiert, zirkular polarisiert oder unter
einem um 90° verschiedenen Winkel linear polarisiert. Ist das Licht mit der gleichen
Lage der Polarisationsebene linear polarisiert, kann es nicht durch den Polarisator
5 durchtreten, da dessen Durchlaßrichtung, wie durch die eingezeichneten Pfeile
angedeutet, senkrecht zur Polarisationsrichtung des Polarisators 3 liegt. Ist die
Polarisationsebene des den Kristall 4 verlassenden Lichtes jedoch um 90° gedreht,
was bei einer Phasenverschiebung von 180° der Fall ist, so kann das Licht ungehindert
durch den Polarisator 5 treten und auf den Schirm 6 fallen. Da die Lage der Polarisationsebene
bzw. des Polarisationszustandes von der Differenz der Phasenlage zwischen dem ordentlichen
und dem außerordentlichen Strahl abhängt und diese wieder abhängig ist von dem Produkt
aus geometrischer Weglänge und Berechnungsindex für den ordentlichen und den außerordentlichen
Strahl, so ergibt sich auf dem Schirm 6 eine Reihe von Helligkeitsminima und -maxima.
Dabei ist zu beachten, daß für einen Berechnungsindex n, für den ordentlichen Strahl
und einen Berechnungs-
Index nu für den außerordentlichen Strahl
und l für die im Kristall durchlaufene Strahllänge folgende Beziehungen gelten:
n, - 1-n" - l=0
oder einer geradzahligen Vielfachen von 180° entspricht
ein Helligkeitsminimum, während für n, - l - na - l =180° oder ein ungeradzahliges
Vielfaches davon ein Helligkeitsminimum ergibt. Ist der keilförmige Kristall so
ausgelegt, daß die Bedingung für ein Maximum nur einmal entlang der ganzen Keillänge
erfüllt ist, so erscheint auf dem Schirm 6 ein einziges Helligkeitsmaximum 6 a,
dessen Helligkeitsverteilung einem cos=-Gesetz folgt. Besteht der keilförmige Kristall
4 aus einer elektrooptisch aktiven Substanz, die unter der Wirkung eines mit Hilfe
der Elektroden 4 a und 4 b, der Batterie 4 c und des veränderlichen Widerstandes
4 d erzeugbaren elektrischen Feldes ihre Doppelbrechung in Richtung des durchfallenden
Lichtes verändert, so kann das Helligkeitsmaximum 6a auf dem Schirm 6 durch
Verstellen des veränderlichen Widerstandes 4 d von links nach rechts und von rechts
nach links verschoben werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird der sogenannte
transversale elektrooptische Effekt ausgenutzt.
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In der Anordnung nach F i g. 2 wird das von der Lampe 1 ausgehende
monochromatische Licht in der Linse 2 parallelgerichtet und im Polarisator 3 linear
polarisiert. Mit 4 h ist ein mit Schwerwasser substituierter KDP-Kristall bezeichnet,
an dem die Elektroden 4 e und 4 f vorgesehen sind. Diese Elektroden weisen in der
Mitte einen waagerecht verlaufenden Schlitz 4 g auf. An die Elektroden 4 e und 4
f kann über die Batterie 4 c und den veränderlichen Widerstand 4 d eine Spannung
gelegt werden. Zwischen den Elektroden 4 e und 4 f entsteht auf diese
Weise ein von der Stellung des veränderlichen Widerstandes 4 d abhängiges elektrisches
Feld, das auch im Bereich des Schlitzes 4g wirksam ist. Der genannte KDP-Kristall
ist etwa 2 mm dick, 1 cm hoch und 4 cm lang. Die von der Batterie 4c aufzubringende
Gleichspannung beträgt für eine Verschiebung des Durchlässigkeitsmaximums an den
bisherigen Ort des Durchlässigkeitsminimums etwa 3400 Volt. Durch Verschiebung des
Abgriffs des veränderlichen Widerstandes 4 d wird in diesem Kristall eine ortsunabhängige
Phasenverschiebung zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl erzeugt.
Zu dieser Phasenverschiebung addiert sich eine ortsabhängige Phasenverschiebung
innerhalb des keilförmigen Kristalls 7. Dieser Kristall besteht aus Quarz, ist etwa
4 cm lang, 1 cm hoch und ist so geschnitten, daß die Komponenten des ordentlichen
und des außerordentlichen Strahles auf dem Weg durch den Kristall zwischen der Keilspitze
und der Keilbasis, also über den gesamten Auslenkungsbereich hinweg, eine von 0
bis 180° linear anwachsende Phasenverschiebung erfahren. Die optische Achse des
Quarzkeiles liegt in der Lichteintrittsfläche und ist um 45° gegen die Schneide
des Keils geneigt. Da sich die Phasenverschiebungen im Kristall 4 h und im Keil
? summieren, wird bei Betätigung des Abgriffs des Widerstandes 4 d der Polarisationszustand
des diese Elemente durchsetzenden Lichtes so verändert, daß das nach dem Durchtritt
des Lichtes durch den Polarisator 5 am Schirm 6 erzeugte Helligkeitsmaximum 6 a
über die gesamte Breite des Schirms verschoben wird.
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Die Anordnung gemäß F i g. 3 besteht wieder aus einer monochromatischen
Lichtquelle 1, deren Licht durch die Linse 2 parallelgerichtet und durch den Polarisator
3 linear polarisiert wird. Das elektrooptisch aktive steuerbare Element 4h entspricht
dem in F i g. 2 dargestellten Element 4h, weist jedoch eine rechteckige 4 - 4 cm=
große Lichteintrittsfläche auf. Die Lichteintritts- und -austrittsflächen sind mit
ganzflächig lichtdurchlässigen Elektroden 4 e und 4 f versehen, über die von der
Batterie 4c mit Hilfe des veränderlichen Widerstandes 4 d eine veränderliche Spannung
angelegt werden kann. Ebenfalls 4 - 4 em2 große Lichteintrittsflächen besitzen der
Keil 7 und der Analysator 5, die im übrigen die gleiche Wirkung wie die in F i g.
2 dargestellten, mit den gleichen Bezugszeichen versehenen Elemente haben.
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Durch den Polarisator 5 tritt ein linienförmiger Lichtstrahl, der
von rechts nach links und umgekehrt verschoben werden kann. Seine Lage ist abhängig
von der Einstellung des Läufers des veränderlichen Widerstandes 4d. Das Element
14h ist ebenfalls aus schwerwassersubstituiertem Kaliumdihydrogenphosphat hergestellt
und hat gleiche Dimensionen wie :das Element 4 h.
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An gegenüberliegenden Flächen dieses Körpers sind die lichtdurchlässigen
Elektroden 14 e und 14 f angeordnet, die mit Hilfe der Batterie 14c
und des veränderlichen Widerstandes 14 d die Erzeugung eines mit dem Strahlengang
parallelen elektrischen Feldes im Kristall 14h ermöglichen. Der keilförmige
Körper 17 entspricht dem Quarzkeil 7, ist jedoch gegenüber diesem um 90° um die
Längsachse des Systems verdreht. Bei Veränderung der an den Kristall 14h gelegten
Spannung wird in den Elementen 14 h und 17 die für die Durchlässigkeit durch den
Polarisator notwendige Phasenbedingung in waagerechten Linien in senkrechter Richtung
verschoben. Von dem durch den Polarisator 5 getretenen Lichtstreifen kann daher
nur noch ein Lichtpunkt den Analysator 15 passieren. Durch geeignete Betätigung
der veränderlichen Widerstände 4 d und 14d wird der auf dem Schirm 16 erzeugte Lichtfleck
16 a in der Art eines Fernsehrasters linienförmig von links nach recht und von oben
nach unten bewegt. Die aus den Batterien 4 c und 14 c bestehenden
Spannungsquellen können durch Sägezahnspannungsgeneratoren ersetzt werden, deren
Sägezahnspannungen etwa dem Verlauf der Ablenkspannungen eines Flying-Spot-Generators
entsprechen.
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Der Winkel zwischen den Ablenkrichtungen der aus den Elementen 3,
4h, 5, 7 und 14h, 17, 15 bestehenden Systeme kann auch von 90° abweichen.
Zur besseren Bündelung der abgelenkten Strahlen kann es auch zweckmäßig sein, zwei
oder mehr eine Horizontalablenkung bewirkende Systeme und entsprechend viele eine
Vertikalablenkung bewirkende Systeme hintereinanderzuschalten, so daß sich ein Helligkeitsverlauf
des erzeugten Leuchtflecks ergibt, der einem cos4- oder einem coss-Gesetz folgt.