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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung
von Richtungsablenkungen von Lichtstrahlengängen um große Winkeldifferenzen bzw.
auf eine elektrooptische Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei der Entwicklung moderner Datenverarbeitungssysteme wurden die
Operationsgeschwindigkeiten und Speicherkapazitäten stetig vergrößert. Damit hielten
allgemein die Entwicklung der Eingabe-Ausgabe-Verfahren sowie der Anzeigevorrichtungen
nicht Schritt. Dies trifft ganz besonders zu bei Vorrichtungen zu Verarbeitungen
von Informationen graphischer bzw. analoger Art.
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Es besteht daher in der Datenverarbeitungstechnik ein besonderer Bedarf
an analogen Eingabe- bzw. Ausgabevorrichtungen, die nach elektrooptischen Prinzipien
arbeiten, wobei ganz besonders die Notwendigkeit besteht, die Richtung von Lichtstrahlengängen
definierten Änderungen zu unterwerfen.
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Es ist bisher bekannt, Lichtstrahlen aus ihrer Richtung abzulenken,
indem man sie eine Anordnung durchlaufen läßt, bei der im Strahlengang innerhalb
einer Vakuumzelle elektrooptisch aktive Kristalle zwischen gekreuzten Polarisatoren
angeordnet sind. Auf der Oberfläche der betreffenden Kristalle werden mit Hilfe
eines Kathodenstrahls Ladungen gespeichert. Ein kollimierter Lichtstrahl, der die
gesamte Oberfläche des Kristalls ausleuchtet, kann diese Anordnung nur an solchen
Stellen durchlaufen, an denen eine Ladung stattgefunden hat. Durch wechselnde Lage
dieser ladungsbehafteten Stellen kann die lichtdurchlässige Stelle geändert werden.
Derartige Vorrichtungen erfordern eine Ausleuchtung der gesamten Kristalloberfläche,
um in einem bestimmten Teilgebiet eine Durchlässigkeit hervorzurufen. Infolgedessen
ergibt sich ein großer Lichtverlust, so daß derartige Anordnungen in der Datenverarbeitungstechnik
nur begrenzte Möglichkeiten besitzen. Nach anderen bekannten Verfahren wird die
Änderung des Brechungsindex eines Prismas aus geeignetem Material durch Beeinflussung
durch eine elektrische Feldstärke dazu ausgenutzt, eine Änderung des Lichtweges
zu erzielen. Derartige Einrichtungen bewirken lediglich eine geringe Richtungsänderung
des Lichtstrahls, auch wenn zur Felderzeugung hohe Spannungen benutzt und eine Reihe
derartiger Prismen in Kaskade angeordnet werden.
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Weiterhin wurden auch elektrooptische Lichtmodulatoren bekannt, die
im Prinzip mit der Kerrzelle vergleichbar sind. Diese bestehen im wesentlichen aus
einem ADP- oder KDP-Kristall, der einem elektrischen Feld ausgesetzt ist und zwischen
einem Polarisator und einem Analysator angeordnet ist. Durch ein in den Strahlengang
eingefügtes 2,/4-Verzögerungsplättchen erhält man eine Lichtintensitätsänderung
nach einem cos2-Gesetz und durch Ausnutzung dessen linearen Teilbereichs eine weitgehend
lineare Intensitätsmodulation des Lichtes.
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Die vorliegende Erfindung setzt sich daher zur Aufgabe, ein Verfahren
anzugeben, das zur Eingabe-Ausgabe- bzw. als Anzeigeverfahren für weiterzuverarbeitende
Informationen vom graphischen bzw. vom analogen Typ geeignet ist.
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Das die genannte Aufgabe lösende Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsebene eines einen Rotator durchsetzenden
linear polarisierten Lichtstrahls durch die am Rotator anliegende Steuerspannung
(V) um einen definierten Betrag gedreht wird, daß der resultierende Lichtstrahl
weiterhin einen doppelbrechenden, innere konische Refraktion aufweisenden Kristall
parallel zur optischen Achse durchsetzend eine kegelförmige Verbreiterung mit der
Kegelgrundfläche erfährt und daß das so entstandene Strahlenbündel mit der Intensitätsverteilung
I - Imax COS4a nach Fokussierung mittels der Zylinderlinse
an dem konvexen Spiegel reflektiert wird, derart, daß der Ort der Reflexion auf
der Spiegelfläche und damit die Richtung des reflektierten Strahls von der Lage
der größten Lichtintensität 1."x innerhalb der Kegelgrundfläche bzw. von der Stellung
der Polarisationsebene des Strahls abhängt.
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In der Zeichnung ist das Verfahren erläutert und ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Es zeigt F i g.1
eine halbperspektivische Darstellung einer elektrooptischen Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung, F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der verschiedenen
Polarisationsarten, die innerhalb der Vorrichtung der F i g. 1 auftreten, F i g.
3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkung eines Viertelwellenlängenplättchens auf
den Lichtstrahl innerhalb der Vorrichtung nach F i g. 1, F i g. 4 ein Diagramm,
das die durch Brechung bewirkte kegelförmige Verbeiterung eines polarisierten Lichtstrahls
mit einer Verteilung der Lichtintensität entsprechend COS2 f über die kreisförmige
Kegelgrundfläche darstellt, F i g. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung
der cos2 Verteilung der Lichtintensität über die kreisförmige Grundfläche des durch
kegelförmige Brechung entstehenden Lichtgebildes für Licht mit einer um 45° gedrehten
Polarisationsebene, F i g. 6 eine schematisch-perspektivische Ansicht eines etwas
modifizierten elektrooptischen Gerätes zur Durchführung des Verfahrens nach den
Lehren der Erfindung, F i g. 7 eine schematisch-perspektivische Ansicht einer weiteren
Modifikation des elektrooptischen Gerätes zur Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung, F i g. 8 eine schematische Darstellung eines polarisierten Lichtstrahls,
der durch Brechung eine kegelförmige Verbreiterung erfährt und eine Lichtintensitätsverteilung
nach einem cos4-Gesetz besitzt, wobei die Gesamtapparatur von F i g. 7 zugrunde
gelegt ist, F i g. 9 ein Diagramm zur Erläuterung der cos4-Verteilung der Lichtintensität
über die kreisförmige Grundfläche des durch kegelförmige Brechung entstehenden Lichtgebildes
für Licht mit einer um 45° gedrehten Polarisationsebene in einer Gesamtapparatur
entsprechend F i g. 7, F i g.10 eine schematisch-sperspektivische Ansicht der elektrooptischen
Vorrichtung gemäß den Lehren der Erfindung zur Erzielung einer Strahlaufspaltung.
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Die Vorrichtung 21 kann einachsig sein und daher bei Feldlosigkeit
wie ein normales Glasplättchen wirken. Besteht jedoch ein Feld über dem Kristall,
so wird dieser zweiachsig, so daß ein entlang der optischen Achse gerichteter Lichtstrahl
in zwei durch die Brechzahlen der Kristallstruktur bestimmten Richtungen aufgespalten
wird. Je nach der Kristallstruktur und dem Wert der felderzeugenden Spannung
gibt
die Vorrichtung 21 linear, elliptisch oder kreisförmig polarisiertes Licht ab.
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Eine solche Vorrichtung läßt sich aus Kaliumdihydrogenphosphat herstellen,
das die chemische Zusammensetzung KH.P04 besitzt und als KDP-Kristall bezeichnet
wird. Ein KDP-Kristall weist eine sogenannte A/2-Spannung von etwa 7,5 kV bei einer
Wellenlänge von etwa 5461 AE auf. Bei der folgenden Beschreibung der Anordnung sei
angenommen, daß ein KDP-Kristall benutzt wird. Es können aber auch andere Substanzen
verwendet werden, wie z. B. Ammoniumdihydrogenphosphat (NH4H2P04) und Kaliumdeuteriumphosphat
(KD.P04). Diese Verbindungen besitzen A/2-Spannungen von etwa 9,6 bzw. 3,4 kV. Zur
Herbeiführung einer Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahls sind aber auch
andere Vorrichtungen anwendbar, wie z. B. Kerr-Zellen, magnetooptische Einrichtungen
und spannungsoptisch wirksame Stoffe.
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Die Arbeitsweise der Anordnung von F i g. 1 ist folgende: Ein kollimierter
Lichtstrahl 14 der Quelle 15 durchläuft den Polarisator 16 und danach
den Rotator 11, um diesen als linear polarisierter Lichtstrahl
26 zu verlassen. Wie man sieht, ist dieser Strahl vertikal polarisiert und
verläuft parallel zur Achse des Polarisators 16, wobei der Stellungswinkel des Strahls
26 gegenüber demjenigen des einfallenden Strahls 25 von dem Rotator 11 abhängt.
Wie schon erwähnt, hängt andererseits die Wirkungsweise des Rotators 11
von
der als Vorrichtung 21 verwendeten Kristallstruktur und der hieran anliegenden Spannungsdifferenz
V ab.
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Der einfallende polarisierte Strahl 25 wird bei 28 durch die
Vorrichtung 21 in bestimmter Weise (z. B. kreisförmig) polarisiert, durch das Viertelwellenlängenplättchen
24 um 90° verzögert und bei 26 ausgestrahlt. Die Art der Polarisation hängt ab von
der an die Vorrichtung 21 angelegten Spannungsdifferenz. Diese Abhängigkeit ist
in F i g. 2 dargestellt. Bei Spannungs- bzw. Feldlosigkeit verläßt der einfallende
linear polarisierte Lichtstrahl 25 die Vorrichtung unverändert. Wird eine der Halbwellenlängenspannung
entsprechende Spannung angelegt, wird der Lichtstrahl 25 in seiner Gesamtheit durch
die Vorrichtung 21 in horizontaler Richtung verschoben, ohne daß Polarisation
eintritt. Bei Anlegen eines anderen Spannungswertes als einem halben oder ganzen
Vielfachen der Halbwellenlängenspannung liefert die Vorrichtung 21 eine Art von
elliptisch polarisiertem Licht. In dem speziellen Fall, daß die Spannungsdifferenz
V an der Vorrichtung 21 gleich
ist, strahlt die Vorrichtung 21 kreisförmig polarisiertes Licht aus.
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Der z. B. kreisförmig polarisierte Lichtstrahl 28 durchläuft weiterhin
das Viertelwellenlängenplättchen 24, wodurch der linear polarisierte Lichtstrahl
26 entsteht, der gegenüber dem einfallenden Strahl 25 gedreht ist.
Der Drehungswinkel (Winkel a in F i g. 3) ist gleich 45°. Im allgemeinen ist der
Winkel
wobei V die an die Vorrichtung 21 angelegte Spannungsdifferenz und V11 die
Halbwellenlängenspannung der Kristallstruktur der Vorrichtung 21 bedeutet.
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Der Rotator 11 dreht somit die Polarisationsebene des einfallenden
linear polarisierten Strahls um einen Betrag, der von der an die Vorrichtung 21
gelegten Spannung und dem darin verwendeten Material abhängt. Aus der nachstehenden
Beschreibung geht hervor, daß diese Drehung in eindeutiger Beziehung zu der endgültigen
Ablenkung des aus der Gesamtanordnung austretenden Lichtstrahls aus der ursprünglichen
Strahlrichtung steht.
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Gemäß F i g. 1 wird der linear polarisierte Lichtstrahl
26 auf den doppelbrechenden Kristall 12 gerichtet. Der Kristall kann z. B.
aus Naphtalin bestehen mit einem Kegelöffnungswinkel von 12142'. Andere verwendbare
Substanzen sind Anthrazen mit einem Kegelöffnungswinkel von 18130' und Aragonit
mit einem Kegelöffnungswinkel von 1148'.
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Unter normalen Umständen wird beim Auftreffen eines polarisierten
Lichtstrahls auf einen doppelbrechenden Kristall der Lichtstrahl in einen ordentlichen
und einen außerordentlichen Strahl aufgeteilt. Diese Strahlen breiten sich durch
den Kristall in verschiedenen Richtungen und mit verschiedenen Geschwindigkeiten
aus. Trifft der Lichtstrahl entlang der optischen Kristallachse z. B. am Punkt 12
a auf, so ergibt sich durch eine interne Brechung eine kegelförmige Verbreiterung
des Strahls. Es findet nicht nur die Aufteilung in einen ordentlichen und einen
außerordentlichen Strahl statt, sondern außerdem treten unendlich viele mögliche
Lichtausbreitungsrichtungen auf, die in dem Kristall einen Kegel bilden. Die kreisförmige
Grundfläche des Kegels ist auf der Fläche des Kristalls 12 durch 12 b dargestellt.
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Wie aus F i g. 4 hervorgeht, verläßt der polarisierte Lichtstrahl
26 den Kristall 12 nicht an einer bestimmten Stelle entsprechend der Polarisationsrichtung
des einfallenden Strahls, sondern vielmehr innerhalb des Gesamtbereichs der kreisförmigen
Kegelgrundfläche 12 b mit einer Intensitätsverteilung von 1 - Imax eoS2E,
wobei der Scheitelpunkt des Winkels e im Punkt des Intensitätsminimums liegt. Die
Intensitätsverteilung auf der Kegelgrundfläche weist also eine Stelle maximaler
Lichtintensität auf. Die größte Intensität liegt an einem definierten Punkt zwischen
den Strahlen 29 a und 29 b. In F i g. 5 ist die Lichtintensität über die Grundfläche
12b des Lichtkegels entsprechend der obengenannten cos2-Intensitätsverteilung dargestellt.
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Zur Erzeugung eines Lichtstrahls 30 einheitlicher Richtung und definierter
Orientierung zwischen 30a und 30b beispielsweise zur Verwendung in irgendeiner Ausgabevorrichtung
wird das vom Kristall12 abgegebene Strahlenbündel mit der obengenannten Intensitätsverteilung
durch den konvexen Spiegel 13 abgelenkt. Durch eine Zylinderlinse 17 wird
der Kreis 12 b fokussiert und die Strahlauflösung verbessert. Der Punkt maximaler
Lichtintensität zwischen 29a und 29 b bestimmt den Winkel des vom Spiegel 13 reflektierten
Ausgangslichtstrahls 30. Dieser Winkel wird also bestimmt durch den Betrag, um den
die Polarisationsebene des Lichtstrahls 25 durch den Rotator 11 aus ihrer ursprünglichen
Lage hinausgedreht wird.
Die in F i g. 6 gezeigte Anordnung gemäß
der Erfindung enthält nicht die in der Anordnung von F i g. 1 verwendete Spiegelanordnung.
Der Kristall 12 von F ig. 1 ist ersetzt durch einen Kristall 31, der auf seiner
Rückseite 32 eine prismatische Form aufweist. Der Kristall 31 bewirkt die
gleiche Intensitätsverteilung wie der Kristall 12 von F i g. 1 und dient außerdem
dazu, den Ausgangslichtstrahl 33 in einer bestimmten Richtung zwischen den
Strahlen 33 a und 33 b abzulenken. Die Zylinderlinse 17 fokussiert wiederum das
von 31 gelieferte Licht.
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Die Anordnungen von F i g. 1 und 6 bewirken eine Intensitätsverteilung
I - Im", C0S2 E
des kegelförmig verbreiterten Lichtes an den Kristallen
12 bzw. 31. Eine solche Verteilung weist ein unzureichendes Auflösungsvermögen
auf, insbesondere dann, wenn gewünscht wird, daß der Strahl den Kristall an einer
bestimmten Stelle verläßt. Zur Verbesserung der Auflösung wird die Intensitätsverteilung
in eine cos4-Verteilung umgewandelt. Das geschieht durch die Verwendung eines zusätzlichen
Polarisators oder Analysators in der Anordnung. Wenn jedoch ein Analysator so angeordnet
ist, daß er linear polarisiertes Licht in vertikaler Richtung aufnimmt, wird jedes
anders orientierte Licht von dem Analysator nicht durchgelassen. Um sicherzustellen,
daß das auf den Analysator 40 auftreffende Licht nicht auf die genannte Weise aus
dem Strahlengang ausgeschieden wird, wird ein weiterer Rotator 41 zwischen dem Analysator
40 und dem Kristall 12 angeordnet. Die Bestandteile des Rotators 41 werden lagemäßig
umgekehrt, so daß das von dem Kristall 12 abgestrahlte Licht auf ein Viertelwellenlängenplättchen
43 gerichtet wird.
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Das Viertelwellenlängenplättchen 43 und eine zweite elektrooptisch
aktive Vorrichtung 44 mit transparenten oder halbtransparenten Elektroden 45 und
46 bewirken eine Drehung der von dem Kristall 12 abgestrahlten maximalen Intensität.
Die so bewirkte Drehung ist gleichwertig derselben Drehung, die dem Rotator 11 auf
den einfallenden Lichtstrahl aus dem Polarisator 16 hin erteilt wird.
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Ist z. B. das auf die Vorrichtung 21 des Rotators 11 auftreffende
Licht linear polarisiert, wird keine Spannung V an diese Vorrichtung gelegt, und
das linear polarisierte Licht wird durch das Viertelwellenlängenplättchen 24 in
derselben Form zum Kristall 12 weitergeleitet. Ebenso ist der von dem Kristall 12
abgestrahlte Lichtstrahl maximaler Intensität vertikal linear polarisiert. In diesem
Falle leitet das Viertelwellenlängenplättchen 43 dieses Licht zu der Vorrichtung
44 weiter, die ihre Position maximaler Intensität unverändert beibehält, wodurch
vertikal linear polarisiertes Licht weiter zum Analysator 40 verläuft. Ist
das auf den Kristall 12 fallende Licht horizontal polarisiert, findet die gleiche
Wirkung statt, nur ist die an die beiden Vorrichtungen 21 und 44 gelegte Spannung
V gleichwertig der Halbwellenlängenspannung des Materials der Kristallstrukturen.
Hierdurch wird eine 90°-Drehung der Polarisationsebene innerhalb jeder der Vorrichtungen
21 und 44 bewirkt.
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Ist in einem dritten Fall das auf den Kristall 12 fallende Licht im
Winkel von 45° bezüglich der horizontalen bzw. der vertikalen Achse polarisiert,
so liefert die Vorrichtung 21 kreisförmig polarisiertes Licht an das Viertelwellenlängenplättchen
24. Dieses erzeugt um 45° verzögertes, linear polarisiertes Licht. Daher liefert
der Kristall 12 Licht, das seine maximale Intensität bei einem Winkel von 45° in
bezug auf die vertikale bzw. horizontale Achse besitzt, und das Viertelwellenlängenplättchen
43 erzeugt kreisförmig polarisiertes Licht, das auf die Vorrichtung 44 fällt. Die
Vorrichtung 44 wird mit derselben Spannung wie die Vorrichtung 21 erregt, und daher
ist das von dieser Vorrichtung abgestrahlte und auf den Analysator 40 gerichtete
Licht vertikal linear polarisiert. Die Vorrichtung 44 bewirkt daher stets die vertikale
Drehung des auf sie fallenden Lichtes und stellt dadurch den Durchgang durch den
vertikal orientierten Analysator 40 sicher. Der Betrag der Drehung wird durch die
an die Vorrichtung gelegte Spannung bestimmt. Der vom Analysator 40 gelieferte Strahl
47 besitzt eine Intensitätsverteilung I - Imax C0S4 und kann
durch eine Spiegelanordnung des für F i g. 1 beschriebenen Typs abgelenkt werden.
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Wie F i g. 8 zeigt, ist die Verteilung der Polarisation eines unter
einem Winkel von 45° polarisierten Lichtstrahls am größten in der vertikalen Richtung.
Eine coS4-Intensitätsverteilung für einen Lichtstrahl mit einer 45°-Polarisation
ist in F i g. 9 veranschaulicht.
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In F i g. 10 wird zur Strahlspaltung ein Rotor 51 mit einem Kristall
53 verwendet. Der Rotor 51 besteht aus dem elektrooptisch aktiven Kristall 53, an
dem Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes 54 und 55 befestigt sind.
Außerdem ist ein Viertelwellenlängenplättchen 56 vorgesehen. Wenn ein Strahl linear
polarisierten Lichtes auf die Vorrichtung 53 gerichtet wird, wird dieser je nach
dem Material des Kristalls und der daran gelegten Spannung mit einer linearen, elliptischen
oder kreisförmigen Polarisierung abgestrahlt.
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Das in Verbindung mit der Vorrichtung 53 benutzte Viertelwellenlängenplättchen
56 setzt den polarisierten Lichtstrahl wieder in die lineare Form um, jedoch gegenüber
der Richtung des einfallenden Strahls um einen von der Spannung V abhängigen Betrag
gedreht. Wenn dieser Lichtstrahl auf den Kristall 52 entlang dessen optischer Achse
gerichtet wird, erfährt der Kristall, falls er doppelbrechend ist, eine interne
kegelförmige Brechung. Wie schon erwähnt, wandert der Strahl in dem Kristall entlang
der Oberfläche eines Kegels, wobei die Lage der Kegeloberfläche von der Polarisationsrichtung
des auffallenden Lichtstrahls abhängig ist. Ist die Rückseite 57 des Kristalls 52
prismatisch geformt, tritt eine Brechung in zwei verschiedenen Richungen auf, die
wiederum von der Spannung V abhängen. Durch Anlegen einer sehr kleinen Hochfrequenzspannung
an die Vorrichtung 53 kann der von dem Kristall 52 abgegebene Strahl zwischen 58
und 59 hin- und hergeschaltet werden, wodurch man eine Strahlspaltung in zwei Richtungen
erhält. Sind mehr als zwei Spaltungseinrichtungen erforderlich, muß die Rückseite
des Kristalls eine mehrere Flächen umfassende Form erhalten, z. B. die eines Polygons.
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Ist in der Anordnung von F i g. 10 der verwendete Kristall 52 zweiachsig
und nicht einachsig, wie oben vorausgesetzt, so wird der Strahl in zwei Strahlen
aufgespalten, einen ordentlichen und einen außerordentlichen. Die Intensität jedes
dieser Strahlen hängt ab von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes
und
damit von der an die Vorrichtung 53 gelegten Spannung. Die Richtung der erzeugten
Einzelstrahlen hängt außerdem ab vom Brechungswinkel des Prismas, das durch die
Formgebung der Rückseite 57 des einachsigen Kristalls gebildet wird.
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Obwohl bisher der verwendete Lichtstrahl hier als paralleles Strahlenbündel
vorausgesetzt wurde, wird die Erfindung dadurch nicht eingeschränkt, da auch konvergierende
Strahlen unter Einschaltung geeigneter Fokussierungseinrichtungen anwendbar sind.