DE1489995C3

DE1489995C3 - Elektrooptisch« Einrichtung

Info

Publication number: DE1489995C3
Application number: DE1489995A
Authority: DE
Inventors: Gordon George Wokingham Berkshire Scarrott (Grossbritannien)
Original assignee: INTERNATIONAL COMPUTERS AND TABULATORS Ltd LONDON
Current assignee: INTERNATIONAL COMPUTERS AND TABULATORS Ltd LONDON
Priority date: 1964-03-10
Filing date: 1965-03-04
Publication date: 1975-01-23
Also published as: DE1489995B2; DE1489995A1; GB1098183A; US3449038A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrooptische Einrichtung, bei der elektrisch aktives Material in den Lichtweg zwischen zwei Polarisatoren eingesetzt ist, deren Polarisationsebenen rechtwinkelig zueinander liegen, und bei der ein resultierendes elektrisches Feld wenigstens an einen Teil des elektrooptisch aktiven Materials anlegbar ist, um die Lichtübertragungseigenschaften der Einrichtung zu beeinflussen, wobei das resultierende elektrische Feld durch ein Paar getrennter elektrischer Felder erzeugt wird, die in unterschiedlichen Richtungen angelegt werden.

Einrichtungen, die den Kerr-Effekt ausnutzen, sind bereits bekannt. Zum Beispiel zeigt die USA.-Patentschrift 3 027 806 eine Reihe von Schaltvorrichtungen, die elektrooptisch aktives oder doppeltbrechendes 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 Feld aufgegeben, damit die Lichtübertragungseigenschäften der Einrichtung geändert werden. Das Feld wird von einem einzelnen Elektrodenpaar erzeugt, an das ein elektrisches Potential angelegt werden kann. Das Licht, das durch die Einrichtung übertragen wird, ist dabei proportional sin* (K/Ko), wobei V der Spannungsunterschied zwischen den Elektroden und Vo eine Materialkonstante ist. Des 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 Null abfällt usw.

Die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden kann durch die resultierende Größe zweier oder mehrerer angelegter Spannungen bestimmt werden. Weil der bestimmende Faktor in der Arbeitsweise der beschriebenen Einrichtungen die Größe der resultierenden Spannung ist, ergibt sich, daß das Anlegen einer einzelnen Spannung ausreicht, um einen Teilbetrieb der Einrichtungen zu erzielen. Damit müssen nicht nur die Größen der angelegten Spannungen exakt gesteuert werden, sondern es ist auch das Verhältnis des Signals zum Rauschen in der Einrichtung abhängig vom Verhältnis des minimalen zum maximalen Wert, entsprechend von einer einzelnen angelegten Spannung zum resultierenden Wert aller gleichzeitig angelegten Spannungen.

Des weiteren ist ein lichtelektrisches Relais bekannt (deutsche Patentschrift 447 364), das eine elektrooptische Zelle mit flüssigem, elektrooptischen! Material besitzt, die zwischen einem Paar gekreuzter Polarisatoren angeordnet ist; diese Zelle weist zwei Paare von Elektroden auf, damit zwei aufeinander senkrecht stehende elektrische Felder an die Zelle angelegt werden können. Diese elektrischen Felder werden unter einem Winkel von 45° zu den Polarisationsebenen der Polarisatoren angelegt, so daß ein Feld zum Sperren der Lichtübertragung durch die Zelle und das andere Feld zur Modifizierung des Einflusses des ersten Feldes verwendet werden kann, um Licht durchzulassen. Diese Anordnung ermöglicht eine Verringerung der Zeitkonstante der elektrooptischen Zelle. Es ist jedoch mit ihr möglich, eine Lichtübertragung durch Anlegen einer Spannung geeigneter Größe nur an eines der beiden Paare von Elektroden zu erreichen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine elektrooptische Einrichtung anzugeben, die nur durch das Zusammenwirken zweier getrennt steuerbarer elektrischer Spannungen steuerbar ist, bei der jedoch im Gegensatz zu den vorstehend erläuterten bekannten Einrichtungen eine einzige angelegte Spannung beliebiger Größe nicht ausreicht, um die elektrooptische Einrichtung in den lichtdurchlassenden Zustand überzuführen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die getrennten elektrischen Felder senkrecht zum Lichtübertragungsweg rechtwinkelig zueinander und parallel zu jeweils einer der Polarisationsebenen der beiden Polarisatoren verlaufen, wobei das Anlegen eines der getrennten Felder allein die Lichtübertragung längs des Weges gesperrt läßt, während das Anlegen beider Felder ein resultierendes Feld ergibt, das eine Lichtübertragung ermöglicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß Teile des elektrooptisch aktiven Materials in Matrixform von Reihen und Spalten parallel zu den Polarisationsebenen der Polarisatoren angeordnet sind und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die in den zu einer ausgewählten Reihe gehörigen Teilen jeweils das eine der getrennten FeI-

der und in den zu einer ausgewählten Spalte gehörigen Teilen jeweils das andere der getrennten Felder erzeugt.

Durch Auswahl der Richtung des Anlegens der Felder wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung für die Arbeitsweise davon ausgegangen, daß die beiden Felder jeweils unabhängig voneinander keinen Lichtdurchlaß durch den von den elektrischen Signalen beaufschlagbaren Teil der Fläche der elektrooptischen Einrichtung zulassen, während ein Licht- to durchlaß erhalten wird, wenn die beiden Felder gleichzeitig an einen entsprechenden Teil der Fläche angelegt werden. Damit ist die Unterteilung einer Anordnung von Teilflächen in Reihen und Spalten zu Auswählzwecken möglich, und es kann die Auswahl einer Reihe und einer Spalte von Teilflächen durch Anlegen eines Feldes beeinflußt werden, ohne daß ein Lichtdurchlaß erfolgt, mit Ausnahme durch die Teilfläche, die durch die beiden Felder gleichzeitig beeinflußt wird.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen elektrooptischen Schaltbereich,

Fig. 2 eine Auswählschaltung für eine Vielzahl von Schalterbereichen und

F i g. 3 in schematischer Darstellung eine Informationsausleseeinrichtung mit einer Matrix von Schalterbereichen.

Ein Beispiel für die Verwendung der Erfindung wird in Verbindung mit der schematischen Darstellung nach F i g. 3 in Anwendung auf eine Auswählschaltung für einen photographischen Speicher erläutert. Die Elemente des Speichers bestehen aus einer Lichtquelle 1, einem optischen System, das durch eine Linse 2 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 Arbeitsweise der elektrooptischen Einrichtung wird nachstehend in Verbindung mit der F i g. 2 erläutert; der einfacheren Beschreibung wegen wird davon ausgegangen, daß die Polarisationsebenen des ersten oder Eingangspolarisators und des zweiten oder Ausgangspolarisators 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 Förderung besteht darin, daß die Ebenen rechtwinklig zueinander stehen.

Jede Schaltzelle der Matrix wird zweckmäßigerweise als Bereich eines elektrooptisch 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 Riehtung anlegen, wie durch den Pfeil 17 angegeben.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten für Komponenten des Lichtes parallel und senkrecht zu dem elektrischen Feld sind in einer Zelle aus elektrooptisch aktivem oder doppeltbrechendem Material unterschiedlich. Wenn infolgedessen das elektrische Feld weder parallel noch senkrecht zur Polarisationsebene des ersten Polarisators steht, tritt das linear polarisierte Licht, das auf die Zelle aus dem ersten Polarisator, z.B. dem Polarisator3 (Fig. 1) auffällt, aus der Zelle mit elliptischer Polarisation aus.

Die elliptisch polarisierte Welle weist eine Komponente an der Polarisationsebene des zweiten Polarisators, z. B. des Polarisators 6 (Fig. 1) auf, so daß Licht durch die Einrichtung übertragen wird.

Es läßt sich zeigen, daß die Intensität des Lichtes, das durch den zweiten Polarisator übertragen wird, proportional sin² 2 Θ ■ sin² (B/2) ist, wobei Θ der Winkel zwischen der Polarisationsebene des Lichtes, das auf die Zelle auffällt, und der Richtung des elektrischen Feldes, und B die Phasendifferenz ist, die von der Zelle für Lichtkomponenten parallel und senkrecht zur Richtung des Feldes erzeugt wird. Der Ausdruck sin² 2 θ hat den Wert Null für Θ = 0°, 90°, 180° und 270°, und den Wert Eins für Θ = 45°, 135°, 225°,315°.

In vorliegendem Falle sind die Felder parallel und senkrecht zur Polarisationsebene des ersten Polarisators, wie in F i g. 1 durch die Pfeile 16 und 17 angegeben, so daß eines dieser Felder allein keine Lichtübertragung ergibt, unabhängig von der Größe 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 Größe der beiden Felder ist. Eine optimale Übertragung wird dann erreicht* wenn die beiden Felder gleich groß 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 = 180°. Es sind hohe 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 Gesamtauslegung der Einrichtung zugelassen. Ein entsprechender praktischer Wert für B/2 ist etwa 66°, was einen maximalen Wert für

sin² -γ /B ergibt. Die theoretische Übertragung für B/2 — 66° beträgt etwa 41%. Beim maximalen Wert von sin² —-JB ist 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 F i g. 2 gezeigt ist, welche ein Schema von Elektroden 39 darstellt, das an einen entsprechenden Kristall aus elektrooptisch aktivem Material angelegt wird. In dieser Figur begrenzen zwei gegenüberliegende Paare von Elektroden jede Zelle. Es ist nur eine Matrix mit sechs Zellen dargestellt, in der Praxis sind jedoch wesentlich größere Matrizen üblich. Die Elektroden der Reihen sind entsprechend miteinander durch Reihenleiter 19 bis 22 verbunden, ähnliche Spaltenleiter 23 bis 25 sind für die Spalten der Elektroden vorgesehen. Wenn alle

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Leiter 19 bis 25 zu Anfang auf Erdpotential liegen, zugeordneten Filmbereich 38 auf. Wie bereits ausge-

wird keine Zelle einem elektrischen Feld ausgesetzt, führt, ist der Einfachheit halber angenommen, daß

und es wird kein Licht durch die Einrichtung über- die Polarisationsebenen der Polarisatoren 3 und 6

tragen. Wenn dann die Reihenleiter 19 und 20 an vertikal und horizontal stehen, die wesentlichen For-

eine entsprechende Spannung gelegt werden, wirkt 5 derungen bestehen jedoch darin, daß sie rechtwinklig

ein elektrisches Feld in Richtung der Pfeile 26 nur zueinander liegen und daß sie parallel zu den Spalten

auf die Schalterzellen in der Reihe zwischen den und Reihen der Matrix von Zellen ausgebildet sind.

Elektroden, die mit den Reihenleitern 20 und 21 ver- Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich,

bunden sind. Auf gleiche Weise erzeugt das Anlegen daß eine Zelle nicht durch lediglich ein angelegtes

einer ähnlichen Spannung an Spaltenleiter 24 und 25 io Feld betätigt werden kann, so daß die Größe der

ein elektrisches Feld, das durch Pfeile 27 angegeben Steuerspannungen keinen Einfluß auf die Auswahl

ist und das nur auf die Zellen in der Spalte zwischen der Zelle ausübt. Die Reihen- und Spaltensteuer-

den Spaltenleitern 23 und 24 einwirkt. Somit ist nur spannungen sollen etwa gleich sein, damit für die

eine Zelle vorhanden, die sowohl ein horizontales ausgewählte Zelle optimale Übertragungsbedingun-

aus auch ein vertikales Feld aufweist, und diese Zelle 15 gen entstehen. Die Übertragung ist jedoch von der

wird deshalb ausgewählt und gestattet den Durch- Größe des Winkels zwischen dem resultierenden

gang von Licht durch das System. Feldvektor und der Polarisationsebene des einfallen-

Die in F i g. 3 gezeigte Matrix 4 besitzt Reihen und den Lichtes abhängig, so daß eine Winkelabweichung

Spalten von Schalterbereichen oder Zellen, und eine von ±5° keine ernsthaften Schwierigkeiten mit sich

einzelne Zelle wird in etwa ähnlicher Weise durch 20 bringt.

das gleichzeitige Anlegen von Reihen- und Spalten- Die Auswahl der erforderlichen Reihen- und Spalfeldern ausgewählt. Wie sich aus der Figur ergibt, tenleiter 32 und 33 wird in der üblichen Weise durch wird z. B. jeder Schalterbereich oder jede Zelle Verwendung eines X- und Y-Koordinatenauswähldurch zwei gegenüberliegende Elektrodenpaare 28, 29 systems erreicht. Zum Beispiel zeigt F i g. 3 eine und 30, 31 begrenzt. Von diesen sind das Paar 28 25 AT-Spannungsquelle 34 und eine Y-Spannungsquelle und 29 Spaltenelektroden und das Paar 30, 31 35, die beide so angeordnet sind, daß ein entspre-Reihenelektroden. Alle Elektroden 28 einer Spalte chendes Potential in bezug auf Erdpotential erreicht sind miteinander an einen Spaltenleiter 32 gelegt, und wird, und jede Stromquelle ist über eine entsprees ist ein getrennter Leiter für jede Spalte der Elek- chende Verteiler- oder Auswählschaltung 36, 37 mit troden 28 vorgesehen. In ähnlicher Weise sind Rei- 30 den Reihen- und Spaltenleitern verbunden.
henleiter33, jeweils einer für jede Reihe, vorge- Die photographische Speicherfilmmatrix 5 weist sehen, und alle Reihenelektroden 31 einer einzelnen einen Speicherbereich 38 auf, der jeder Schaltzelle Reihe sind mit dem entsprechenden der Leiter 33 der Matrix zugeordnet ist. Ferner ist eine Abblendverbunden. Die übrigen Elektroden 29 und 30 der platte in üblicher Weise vorgesehen, um zu gewähr-Paare sind alle gemeinsam an Erde gelegt. Um eine 35 leisten, daß die Abfragung des Filmes ausschließlich ausgewählte Zelle zu betätigen, wird somit eine ent- auf die Speicherbereiche 38 beschränkt wird,
sprechende Spannung an den einen Reihenleiter 33 Die Größe des resultierenden Feldes bestimmt den und den einen Spaltenleiter 32 angelegt, die mit den Wert von B und damit den Grad der Übertragung Elektroden der Zelle verbunden sind. Damit entsteht durch eine ausgewählte Zelle. Wie jedoch bereits erein elektrisches Feld zwischen jedem Elektrodenpaar 40 wähnt, ist der Wert von B nicht kritisch, und jeder und, da die Felder gleich sind, liegt der resultierende Wert, der ausreicht, um ein vernünftiges Verhältnis Feldvektor auf einem der optimalen Übertragungs- von Signal zu Geräusch des Ausgangssignals aus winkel von 45°, 135° usw. der photoempfindlichen Einrichtung zu gewährleisten,

Infolgedessen ist das polarisierte Licht, das auf ist brauchbar.

diese Zelle auffällt, bei der Übertragung elektrisch 45 Zur Erzielung der erforderlichen elektrischen FeI-polarisiert. Dieses Licht gelangt durch einen Bereich der können verschiedene andere Elektrodenausbil-38 des Speicherfilmes 5, der der ausgewählten Zelle düngen verwendet werden. Zum Beispiel ist eine entspricht und trifft auf den zweiten Polarisator 6 Elektrode eines jeden Paares stets auf Erdpotential, auf. Dieser Polarisator 6 läßt die horizontal polari- wie F i g. 3 zeigt, so daß sie zu einer einzelnen Eleksierte Komponente des auffallenden Lichtes, die 50 trode verbunden werden können, die direkt geerdet durch das optische System 7 auf die photoempfind- ist. Jede Zelle besitzt dann einzelne Reihen- und liehe Einrichtung 8 fokussiert ist, durch. Diese Ein- Spaltenauswählelektroden und eine gemeinsame gerichtung 8 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, erdete Elektrode. Ferner können die geerdeten Elekdas die Information darstellt, die im ausgewählten troden benachbarter Zellen in eine einzelne gemein-Bereich des photographischen Filmes gespeichert ist 55 same Elektrode zusammengefaßt sein,
und die an einen Ausgangsverstärker 34 gegeben Jede Zelle in der Matrix ist in Wirklichkeit ein wird. elektrooptisches UND-Gatter mit zwei Eingängen.

Alle anderen Zellen in der gleichen Reihe wie die Infolgedessen kann eine solche einzelne Zelle zur ausgewählte Zelle sind einem elektrischen Feld in Durchführung dieser logischen Funktion unabhängig vertikaler Richtung ausgesetzt. In ähnlicher Weise 60 von der oben angegebenen Anwendung in einer Speisind die anderen Zellen in der Spalte, die die aus- cherauswählmatrix verwendet werden. Die Zellen gewählte Zelle einschließen, einem elektrischen Feld können aus jedem beliebigen elektrooptischen aktiin horizontaler Richtung unterworfen. Diese Felder ven Material hergestellt sein, z. B. aus Bariumtitanatliegen in zwei Winkeln von 0°, 90°, 180°, für die kristallen, oder aber aus anderen Materialien mit die Übertragung durch das System Null ist. Infolge- 65 einem verhältnismäßig großen quadratischen elektrodessen trifft Licht auf die photoempfindliche Einrich- optischen Effekt, z. B. Nitrobenzol und Strontiumtung nur über die eine ausgewählte Zelle und den titanat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrooptische Einrichtung, bei der elektrooptisch aktives Material in den Lichtweg zwischen zwei Polarisatoren eingesetzt ist, deren Polarisationsebenen rechtwinklig zueinander liegen, und bei der ein resultierendes elektrisches Feld wenigstens an einen Teil des elektrooptisch aktiven Materials anlegbar ist, um die Lichtübertragungseigenschaften der Einrichtung zu beeinflussen, wobei das resultierende elektrische Feld durch ein Paar getrennter elektrischer Felder erzeugt wird, die in unterschiedlichen Richtungen angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten elektrischen Felder (16, 17) senkrecht zum Lichtübertragungsweg rechtwinkelig zueinander und parallel zu jeweils einer der Polarisationsebenen der beiden Polarisatoren verlaufen, wobei das Anlegen eines der getrennten Felder (16, 17) allein die Lichtübertragung längs des Weges gesperrt läßt, während das Anlegen beider Felder ein resultierendes Feld (18) ergibt, das eine Lichtübertragung ermöglicht.

2. Elektrooptische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des elektrooptisch aktiven Materials in Matrixform von Reihen und Spalten parallel zu den Polarisationsebenen der Polarisatoren (3, 6) angeordnet sind und daß eine Vorrichtung (34 bis 37) vorgesehen ist, die in den zu einer ausgewählten Reihe gehörigen Teilen jeweils das eine der getrennten Felder (16, 17) in den zu einer ausgewählten Spalte gehörigen Teilen jeweils das andere der getrennten Felder (16,17) erzeugt.

3. Elektrooptische Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Material ein fester Kristall (4) ist.