DE1489995A1 - Elektrooptischer Schalter - Google Patents

Description

INTERNATIONAL COMPUTERS AND TABULATORS LIMITED, ICT House,

Putney, London, S.W.15, England

"Elektrooptischer Schalter"

Die Erfindung bezieht sich auf elektrooptische Einrichtungen, die nach dem Kerr-Effekt arbeiten.

Schaltvorrichtungen, die den Kerr-Effekt ausnutzen, sind b·- , reits bekannt. Z.B.zeigt die US-Patentschrift 3,027,806 wine Reihe von Schaltvorrichtungen, die elektrooptisch aktives oder doppeüfcrechendes Material verwenden, das in einen Lichtübertragungsweg zwischen ersten und zweiten Polarisatoren eingesetzt ist, deren Polarisationsebenen im rechten Winkel aufeinander stehen. Dem optisch aktiven Material wird ein elektrisches PeId aufgegeben, damit die Lichtübertragungseigenschaften der Einrichtung geändert werden. Das Feld wird τη einem einzelnen Elektrodenpaar erzeugt, an das ein elektrisches Potential angelegt werden kann. Es ist in dieser Vorveröffentlichung dargelegt, dass das Licit, das durch das System übertragen wird, proportional sin (V/Vo) ist, wobei V der Spannungsunterschied zwischen den Elektroden und Vo eine Materialkonstante ist. Des

Patentanwälte Dlpl.-Ing. Hans Begrich - Dipl.-Ing. Alfon» Watmeier - Regentburg, Lesslngstrafie 10

■Ml £ zum Schreiben vom 5.3.65 W/E ·"= ICT. i/p 43506 1489995

weiteren ist dort ausgeführt, dass bei einem Anwachsen der Spannungsdifferenz die Lichtübertragung auf ein Maximum ansteigt, auf Null fällt, wieder auf ein zweites Maximum ansteigt, erneut auf Hull abfällt usw. Sie Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden kann durch die resultierende Grosse zweier oder mehrerer angelegter Spannungen bestimmt werden. Weil der bestimmende Faktor in der Arbeitsweise der beschrieben enVor richtung en die Grosse der resultierenden Spannung ist, ergibt sich, dass das Anlegen einer einzelnen Spannung ausreicht, um einen Teilbetrieb der Vorrichtungen zu erzielen. Damit müssen nicht nur die Grossen der angelegten Spannungen exakt gesteuert werden, sondern es ist auch das Verhältnis von Signal zu Geräusch in der Vorrichtung abhängig vom Verhältnis des minimalen zum maximalen Wert, entsprechend von einer einzelnen angelegten Spannung zua resultierenden Wert aller gleichzeitig angelegten Spannungen.

Im Gegensatz hierzu ist eine elektrooptische Einrichtung gemäss vorliegender Erfindung, die elektrooptisch aktives Material zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass das wirksame elektrische PeId₁ das an das optisch aktive Material angelegt wird, ein resultierendes PeId 1st, das von zwei senkrecht zu dem Lichtübertragungsweg durch die Einrichtung angelegten Feldern erzeugt wird, wobei diese Felder parallel zu den Polarisationsebenen des Polarisatorpaares liegen. Das AnlejBn eines der Pelder allein erzeugt nur ein resultierendes Feld entweder

CD ^β

£° parallel oder senkrecht zur Polarisationsebene des ersten ^¹ Polarisators, und unter diesen Umständen tritt, unabhängig ^) von der Glrösse des angelegten F_eldes, keine Lichtübertragung JJ auf. Das gleichzeitige Anlegen beider Felder erzeugt jedoch ein resultierendes Feld mit einem Zwischenwinkel mit dem Ergebnis, dass das Licht,das auf das Material auffällt, nunmehr

mit elliptischer Polarisation auftritt. In diesem Falle wird Licht durch das System übertragen. Damit ist das Verhältnis von Signal zu Geräusch nicht mehr von den Grossen der angelegten Spannungen abhängig, da das Anlasen nur eines einzigen Feldes keine Abgabe aus dem System erzeugenfcann.

In der eingangs erwähnten US-Patentschrift ist bereits die Möglichkeit beschrieben, dass eine Lichtübertragung bei den bekannten Einrichtungen durch logische Funktionen, z.B. UND und FUR ODER auf Eingangssignale in Form von elektrischen Signalen bezogen werden kann, die mit oder ohne Vorspannung anaie Elektroden angelegt werden. Es ist do-rt auch die Anordnung einer Reihe von Vorrichtungen beschrieben, die als UND-Gatter in Matrixausbildung betrieben werden, damit eine elektrooptische Blende entsteht, mit deren Hilfe Licht aus einer Quelle durch einen ausgewählten Bereich aufgrund der Erregung eines Paares von Matrixauswählleitern durchgelassen werden kann. Eine solche Matrix ist für ein selektives Auslesen eines optischen Speichers geeignet, z.B. einer Vielzahl von im Abstand angeordneten AufZeichenbereichen auf einer photographischen Schicht. In der gleichen Weise können Einrichtungen gemäes der Erfindung in Matrixform angeordnet sein und in ähnlicher Weise zum Einsatz in gleichartiger Umgebung ausgewählt werden.

Nachstehend wird eine Einrichtung gemäss der Erfindung in einem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt die Anordnung eines elektrooptischen Schalterbereiches,

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Fig. 2 eine Auswählanordnung für eine Vielzahl von Schalterbereichen, und

Pig. 3 schematisch eine Informationsausleseeinrichtung, die eine Matrix von Schalterbereichen verwendet.

Ein Beispiel für die Verwendung der Erfindung wird in Verbindung mit der schematischen Darstellung nach Fig. 3 in Anwendung auf ein Auswählsystem für einen photographischen Speicher erläutert. Die Elemente dee Speichers bestehen aus eher b Lichtquelle 1, einem optischen System» das durch eine Linse dargestellt ist, einem ersten Polarisator 3, einer Matrix von elektrooptischen Schaltern 4, einer Matrix 5 von Filmspeicherbereichen, einem zweiten Polarisator 6, einem weiteren optischen System, das durch eine Linse 7 dargestellt wird, und einer photoempfindlichen Aufnahmevorrichtung 8. Die Grundelemente des Speichers sind somit ähnlich denen des eingangs beschriebenen bekannten Speichers. Die Art und Weise, in der die Schalter gemäss der Erfindung betätigt werden, ist jedoch völlig verschieden von der nach der bekannten Anordnung.

w Eine weites Ausführungsform eines photographischen Speichers, auf welchen die Erfindung anwendbar ist, ist in der Britischen Patentschrift 933,576 erläutert. Das elektrooptische Auswählsystem gemäss der Erfindung kann duroh das mechanische

η, Blendensystem, das dort angegeben ist, ersetzt werden, wo-(α durch eine wesentlich höhere Arbeitsgeschwindigkeit des Speichere

Kj erzielt werden kann.

Die Arbeitsweise der elektrooptischen Schalter wird nachstehend in Verbindung mit der Fig. 2 erläutert; der einfacheren. Beschreibung wegen wird davon ausgegegangen, dass die Polarisationsebenen des ersten oder Eingangspolarisators und des

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zweiten oder Auagangspolarisatore in vertikalen und horizontalen Ebenen liegen, wie durch die Pfeile 9 und 10 dargestellt ist. In der Praxis können sie in einem beliebigen Winkel angeordnet sein. Die einzige Forderung besteht darin, dass die Ebenen rechtwinklig zueinander stehen.

Jede Schaltzelle der Matrix wird zweckmässigerweise als Bereich eines elektrooptischen aktiven Materials 11 betrachtet, das innerhalb der gegenüberliegenden Elektrodenpaare 12, 13 und 14, 15 liegt und von ihnen begrenzt wird. Das erste _ Elektrodenpaar 12,13 ist so ausgebildet und angeordnet, dass es dann, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Elektroden besteht, ein elektrisches Feld in vertikaler Richtung an das Material der Zelle legt, wie durch den Pfeil 16 angegeben. Das zweite Elektrodenpaar 14, 15 ist ähnlich dem ersten Paar ausgebildet, die Elektroden sind jedoch so ausgebildet, dass sie ein elektrisches Feld in horizontaler Richtung anlegen, wie durch den Pfeil 17 angegeben.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten für Komponenten des Lichtes parallel und senkrecht zu dem elektrischen Feld sind in einer ä Zelle aus elektrooptisch aktivem oder doppeltbrechendem Material unterschiedlich. Wenn infolgedessen das elektrische Feld weder parallel noch senkrecht zur Polarisationsebene des ersten Älarisators steht, tritt das linear polarisierte Licht, das auf die Zelle aus dem ersten Polarisator, z.B. dem Polarisator 3 (Fig. 1) auffällt, aus der Zelle mit elliptischer Polarisation aus.

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Die elliptisch polarisierte Welle weist eine Komponente in der Polarisationsebene des zweiten Polarisators, z.B. des Polarisators 6 (Fig. 1) auf, sodass Licht durch das System Übertragen wird.

Es lässt sich zeigen, dass die Intensität des Lichtes, das durch

2 den zweiten Polarisator über-tegen wird, proportional sin 2Θ

sin (B/2) ist, wobei θ der Winkel zwischen der Polarisationsebene des Lichtes, das auf die Ze)-Ie auffällt, und der Richtung des elektrischen Feldes,und B die Phasendifferenz ist, die von der Zelle für Lichtkomponenten parallel und senkrecht zur Rich-

2 tung des Feldes erzeugt wird. Der Ausdruck sin 2Θ hat den Wert Null für θ = 0°, 90°, 180° und 270°, und den Wert Eins für Q « 45°, 135°, 225°, 315°.

In vorliegendem Falle sind die Felder parallel und senkrecht zur Polarisationsebene des ersten Polarisators, wie in Fig. 1 durch die Pfeile 16 und 17 angegeben, sodass eines dieser Felder allein keine Lichtübertragung ergibt, unabhängig von der Grosse des Feldes. Wenn beide Felder jedoch gleichzeitig angelegt werden, ergibt der resultierende Feldvektor einen Winkel mit der Polarisationsebene des ersten Polarisators, der eine Funktion der relativen Grosse der beiden Felder ist. Eine optimale Übertragung wird dann erreicht, wenn die beiden Felder gleich gross

ο ο

sind, wodurch ein resultierendes Feld bei 45 , 135 usw. entsteht, wie durch den gestrichelten Pfeil 18 angegeben ist; diese Übertragung ist unabhängig von der Polarität der Felder.

Der tatsächliche Grad der Lichtübertragung ist auch eine Funktion von sin²(B/2) und wird ein Maximum, wenn B = 190°. Es sind hohe

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ergo

Werte für das elektrische Feld erforderlich, um eine so grosse Phasendifferenz zu erzielen, und in der Praxis werden kleinere Felder vorgezogen und eine geringere Übertragung bei der Geeamtauslegung des Systems zugelassen. Ein entsprechendeTpraktischer Wert für B/2 ist etwa 66 , was einen maximalen Wert für

2 B ο

sin —/B ergibt. Die theoretische Übertragung für B/2 = 66

2 B beträgt etwa 41$. Beim maximalen Wert von sin —/B let das Verhältnis der Lichtübertragung zur elektrischen Energie, die bei der Betätigung des Schalters aufgebracht wird, ein Maximum. Eine Matrix aus elektrooptischen Schaltern wird zweckmässigerweise durch Anordnung der einzelnen Schalterbereiche oder Zellen in Reihen oder Spalten ausgebildet, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, welche ein Schema von Elektroden 39 darstellt, das an einen entsprechenden Kristall aus elektrooptischen! aktivem Material agelegt wird. In dieser Figur begrenzen zwei gegenüberliegende Paare von Elektroden jede Zelle. Es ist nur eine Matrix mit 6 Zellen dargestellt, in dsr Praxis sind jedoch wesentlich grössere Matrizen üblich. Die Elektroden der Reihen sind entsprechend miteinander durch Reihenleiter 19-22 verbunden, ähnliche Spaltenleiter 23-25 sind für die Spalten der Elektroden vorgesehen. Wenn alle Leiter 19-25 zu Anfang auf Erdpotential liegen, wird keine Zelle einem elektrischen F_eld ausgesetzt und es wird kein Licht durch das System übertragen. Wenn dann die Reihenleiter 19 und 20 an eine entsprechende Spannung gelegt werden, wirkt ein elektrisches Feld in Richtung der Pfeile 26 nur auf die Schalterzellen in der Reihe zwischen den Elektroden, die mit den Reihenleitern 20 und 21 verbunden sind. Auf gleiche Weise erzeugt das Anlegen einer ähnlichen Spannung an Spaltenleiter 24 und 25 ein elektrisches Feld, das durch Pfeile 27 angegeben ist, und das nur auf die Zellen in der Spalte zwischen den Spaltenleitern 23 und 24 einwirkt. Somit ist nur eine Zelle vorhanden, die sowohl

ein horizontales als auch ein vertikales PeId aufweist und diese Zelle wird deshalb ausgewählt und gestattet den Durchgang von Licht durch das System.

Die in Fig. 3 gezeigte Matrix 4 besitzt Reihen und Spalten von Schalterbereichen oder Zellen und eine einzelne Zelle wird in etwa ähnlicher Weise durch das gleichzeitige Anlegen von Reihen- und Spaltenfeldern ausgewählt. Vie sich aus der Figur ergibt« wird z.B. jeder Schalterbereich oder jede Zelle durch zwei gegenüberliegende Elektrodenpaare 28, 29 und 30, 31 begrenzt. Von diesen sind das Paar 28 und 29 Spaltenelektroden und das Paar 30, 31 Reihenelektroden. Alle Elektroden 28 einer Spalte sind miteinander an einen Spaltenauswählleiter 32 gelegt und es ist ein getrennter Leiter für jede Spalte der Elektroden 28 vorgesehen. In ähnlicher Weise sind Reihenleiter 33, jeweils einer für jede Reihe,vorgesehen und alle Reihenelektroden 31 einer einzelnen Reihe sind mit dem entsprechenden Leiter der Leiter 33 verbunden. Die übrigen Elektroden 29 und 30 der Paare sind alle gemeinsam an Erde gelegt. Um eine ausgewählte Zelle zu betätigen, wird somit eine entsprechende Spannung an den einen Reihenleiter 33 und den einen Spaltenleiter 32 angelegt, die mit den Elektroden der Zelle verbunden sind. Damit entsteht ein elektrisches Feld zwischen jedem Elektrodenpaar und, da die Felder gleich sind, liegt der resultierende Feldvektor auf einem der optimalen Übertragungswinkel von 45 _t 135 » usw.

Infolgedessen ist das polarisierte Licht, das auf diese Zelle auffällt, bei der Übertragung elektrisch polarisiert. Dieses Licht gelangt durch einen Bereich 38 des SpeioherflLmes 5» der der ausgewählten Zelle entspricht und trifft auf den zweiten

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Polariaator 6 auf. Dieser Polarisator 6 lässt die horizontal polarisierte Komponente des auffallenden Lichtes, die durch das optische System 7 auf die photoempfindliche Einrichtung 8 fokussiert ist, durch. Diese Einrichtung 8 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das die Information darstellt, die im ausgewählten Bereich des photographischen Filmes gespeichert ist, und die an einen Ausgangsverstärker 34 gegeben wird.

Alle anderen Zellen in der gleichen Reihe wie die ausgewählte Zelle sind einem elektrischen Feld in vertikaler Richtung ausgesetzt. In ähnlicher Weise sind die anderen Zellen in der Spalte, die die ausgewählte Zelle einschliessen, einem elektrischen Feld in horizontaler Richtung unterworfen. Diese Felder liegen in zwei Winkeln von 0°, 90°, 180°, für die die Übertragung durch das System Null ist. Infolgedessen trifft auf die photoempfindliche Einrichtung nur über die eine ausgewählte Zelle und den zugeordneten Filmbereich 38 auf. Wie bereits ausgeführt, ist der Einfachheit halber angenommen, dass die Polarisationsebenen der Polarisatoren 3 und 6 vertikal und horizontal stehen, die wesentlichen Forderungen bestehen jedoch darin, dass sie rechtwinklig zueinander liegen und dass sie parallel zu den Spalten und Reihen der Matrix von Zellen ausgebildet sind.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass eine Zelle nicht durch lediglich ein angelegtes Feld betätigt werden kann, sodass die Grosse der Steuerspannungen keinen Einfluss auf die Auswahl der Zelle ausübt. Die Reihen- und Spaltensteuerspannungen sollen etwa gleich sein, damit für die ausgewählte Zelle optimale Übertragungsbedingungen entstehen. Die Übertragung ist

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jedoch von der Gross© des Winkele zwischen dem resultierenden Feldvektor und der Polarisationsebene des einfallenden Lichtes abhängig, sodass eine Winkelabweichung haften Schwierigkeiten mit sich bringt.

abhängig, sodass eine Winkelabweichung von +5° keine ernst-

Die Auswahl der erforderlichen Reihen- und Spaltenleiter 32 und 33 wird in der üblichen Weise durch Verwendung eines X- und Y-Koordinatenauswählsystems erreicht. Z.B. zeigt Fig. 3 eine X-Spannungsquelle 34 und eine Y-Spannungsquelle 35» die beide so angeordnet sind, dass ein entsprechendes Potential in bezug auf Erdpotential erreicht wird, und jede Stromquelle ist über eine entsprechende Verteiler- oder Auewählschaltung 36, 37 mit den Reihen- und Spaltenleitern verbunden.

Die photographische Speicherfilmmatrix 5 weist einen Speicherbereich 38 auf, der jeder Schaltzelle der Matrix zugeordnet ist. Ferner ist eine Abblendplatte in üblicher Weise vorgesehen, um zu gewährleisten, dass die Abfragung des Filmes ausschliesslich auf die Speicherbereiche 38 beschränkt wird.

Die Grosse des resultierenden Feldes bestimmt den Wert von B und damit den Grad der Übertragung durch eine ausgewählte Zelle. Wie jedoch bereite erwähnt, ist der Wert von B nicht kritisch und jeder Wert, der ausreicht, um ein vernünftiges Verhältnis von Signal zu Geräusch des Ausgangesignales aus der photoempfindlichen Einrichtung zu gewährleisten, ist brauohbar.

Verschiedene andere Elektrodenausbildungen können zur Erzielung der erforderlichen elektrischen Felder verwendet werden. Z.B.

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J4

1st eine Elektrode eines jeden Paares stets auf Erdpotential, wie Flg. 3 zeigt, sodass sie zu einer einzelnen Elektrode verbunden werden können, die direkt geerdet ist. Jede Zelle besitzt dann einzelne Reihen- und Spaltenauswählelektroden und eine gemeinsame Erdelektrode. Ferner können die geerdeten Elektroden benachbarter Zellen durch eine einzelne gemeinsame Elektrode vorgesehen sein.

Es sei darauf hingewiesen, dass jede Zelle in der Matrix in Wirklichkeit ein elektrooptisches UND-Gatter mit zwei Eingängen ist. Infolgedessen kann eine solche einzelne Zelle zur Durch- M führung dieser logischen Funktion unabhängig von der oben angegebenen Anwendung in einer Speicherauswählmatrix verwendet werden. Die Zellen können, aus jedem beliebigen elektrooptischen aktiven Material hergestellt ζΓΒ. aus Bariumtitanatkristalien, oder aber aus anderen Materialien mit einem verlätnismässig grossen quadratischen elektrooptischen Effekt, z.B. Nitrobenzol und Strontiumtitanat.

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ORIGINAL INSPECTED-

Claims (9)

1. Patentanwälte Dipl.-Ing. Hant Begridi - DIpI.-Ing. Alton· Wasmelar - Regeniburg, LcsslngttraSe 10
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3. •wi %ft>m«*r.tb«.vom3.3.65 W/E «,, ICT 1/p 4306
5. Patentanspruch
6. Elektrooptische Einrichtung, bei der elektrooptisches aktives Material in einen Lichtübertragungsweg zwischen erste und zweite Polarisatoren eingesetzt ist, deren Polarisationsebenen rechtwinklig zueinander angeordnet sind, und bei der ein elektrisches Feld an das elektrooptische aktive Material angelegt ist, um die Lichtübertragungseigenschaf-
7. ten der Einrichtung zu verändern, dadurch gekenn zeichnet, dass das wirksame elektrische Feld (18) ein resultierendes Feld ist, das aus zwei senkrecht zum Lichtübertragungsweg und parallel zu den Polarisationsebenen (9,10) der ersten und zweiten Polarisatoren angelegten Feldern (16,17) zusammengesetzt ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Felder (16,17) durch Anlegen von elektrischen Potentialen an entgegengesetzte Elektrodenpaare (12,13 und 14,15) erzeugt werden, wobei die Elektrodenpaare in Richtungen parallel zu den Polarisationsebenen ausgerichtet sind und der wirksame Bereich (11) des elektrooptischen aktiven Materials zwischen den Elektrodenpaaren liegt.
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