DE1639277C3 - Elektrooptische Modulationseinrichtung - Google Patents
Elektrooptische ModulationseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elekrooptische Modulationseinrichtung, bei der zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren eine Matrix von selektiv ansteuerbaren elektrooptischen Elementen angeordnet ist, bei der
an das elektrooptische Material jedes Elementes zwei aufeinander senkrecht stehende elektrische Felder
unabhängig voneinander anlegbar sind, deren Richtungen senkrecht zur Lichtstrahlrichtung und parallel zu
jeweils einer der Polarisationsebenen der beiden Polarisatoren orientiert sind und die sich bei gemeinsamem Anliegen überlagern, wobei nur bei gemeinsamem
ίο Anliegen Lichtdurchgang durch die Einrichtung zustandekommt
Elektrooptische Modulationseinrichtungen dieser Art sind bereits vorgeschlagen worden, beispielsweise in der
DE-PS 14 89 995. Eine derartige Einrichtung weist
zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren eine Matrix aus selektiv steuerbaren elektrooptischen Elementen auf,
und es können mit dieser Matrix zwei senkrecht aufeinanderstehende elektrische Felder dem elektrooptischen Material eines jeden Elementes aufgegeben
werden, wobei die Richtung dieser Felder vertikal zur Richtung eines aufgebrachten Lichtstrahls und paraiiei
zu den Polarisationsebenen der beiden Polarisatoren verläuft, und wobei die Felder überlagert werden, wenn
sie miteinander angelegt werden, so daß ein resultie
rendes Feld erzeugt wird; ein Lichtdurchlaß durch ein
elektrooptisches Element wird nur erreicht, wenn beide Felder an das Element zusammen angelegt werden.
Wie in OE-PS 14 89 995 dargestellt, besteht die Matrix aus einer Vielzahl von elektrooptischen Schal
tern, deren jeder ein Element aus elektrooptischem
Material, z. B. Nitrobenzol aufweist, das zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordnet ist und das mit
Elektroden versehen ist, die elektrischen Felder an das Element in Richtungen parallel zu den Poiarisationsebe
nen der Polarisatoren anlegen. Der Schalter läßt kein
Licht durch, wenn keine Spannung an die Elektroden oder wenn Spannung nur an eine Elektrode angelegt
wird. Das Anlegen entsprechender Spannungen an beide Elektroden erzeugt ein elektrisches Feld in dem
Element in einer Richtung von 45° gegen die Polarisationsebenen. Das Element erzeugt eine Phasendifferenz zwischen Lichtkomponenten parallel und
senkrecht zu dem elektrischen Feld. Infolgedessen tritt linear polarisiertes Licht, das auf das Element auffällt,
mit elliptischer Polarisation aus. Somit kann ein wesentlicher Teil des auf den Schalter fallenden Lichtes
von dem Schalter durchgelassen werden.
Die Phasendifferenz zwischen den Lichtkomponenten, die durch ein solches Element erzeugt werden, ist
von der optischen Bahnlänge in dem Element, dem Material, aus dem das Element hergestellt ist, und der
Stärke des elektrischen Feldes abhängig. In einem speziellen Ausführungsbeispiel würde eine Bahnlänge
von etwa 2 cm notwendig sein, falls Nitrobenzol als
elektrooptisches Material verwendet wird. Die öffnung
eines solchen Elementes kann einige cm2 betragen, so daß das Volumen des Materials in dem Element etwa 5
bis 10 ecm betragen kann. Die elektrostatische Energie, die in einem solchen Volumen gespeichert ist, ist
verhältnismäßig groß, und es ist ein Steuersignal hoher Leistung erforderlich, um den Schalter innerhalb kurzer
Zeit zu betätigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu scnaffen, die
es ermöglicht, bei der Modulation des Lichts schnelle Phasenänderungen mit verhältnismäßig geringen
Steuerlcistungen zu erzielen.
gelöst, daß die Länge der elektrooptischen Elemente in
Lichtstrahlrichtung erheblich größer als ihre Ausdehnung in Querrichtung ist, daß sich jedes elektrooptische
Element in einem länglichen Behälter befindet, an dessen Wandungen achsparallele Elektroden zur Erzeugung der elektrischen Felder angebracht sind, daß jedes
elektrooptische Element von einem Material mit niedrigerem Brechungsindex so umgeben ist, daß der
Lichtstrahl beim Durchgang innen an der Grenzfläche totalreflektiert wird, und daß der Lichtstrahl eine
Divergenz *?*>n weniger als 2° besitzt
Im Falle vorliegender Erfindung werden die Elektroden nicht direkt auf das elektrooptische Material
aufgetragen, und dieses Material nimmt nicht die Form
einer Einkristallebene ein. Somit werden individuelle Elemente der Matrix getrennt in Behältern aufgenommen und die Elektroden werden an den Wänden der
Behälter vorgesehen. Dies ermöglicht, die Länge eines Elementes in der Richtung des auftreffenden Lichtstrahles wesentlch größer als seine Breite in einer Richtung
quer zum Strahl zu machen; da die Elektroden sich über die gesamte Länge des Elementes erstrecken können, ist
auch wesentlich weniger Energie erforderlich als bei bekannten Einrichtungen, um einen einwandfreien Betrieb zu erhalten. Darüber hinaus wird die elektrische
Feldverteiliing wesentlich verbessert. In der Praxis
macht die Verkleinerung der Breite eines Elementes zur Erzielung einer optimalen Energieeinsparung e rforderlich, daß der auftreffende Lichtstrahl eine begrenzte
Divergenz besitzt.
Neben diesen wesentlichen Vorteilen beim Betrieb einer derartigen elektrooptischen Matrix, ergeben sich
weitere technische Vorteile. Beispielsweise können die Wände der Behälter zweckmäßigerweise durch Aneinanderreihen einer Anzahl identischer ebener Bauteile
ausgeführt werden, die einfach und billig in einem Stanzvorgang hergestellt werden. Ferner nehmen diese
Wandbauteile zweckmäßigerweise die Elektrodenmuster auf ihren Stirnflächen auf, und die Matrix wird
insofern vereinfacht, als die Elektroden eines einzigen Wandbauteiles gemeinsam verbunden werden können.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert.
Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt die Ansicht einer
Matrix von elektrooptischen Vorrichtungen,
Fig.2 den Aufbau einer Elektrode für die Matrix nach F i g. 1 und
F i g. 3 die Matrix in Verbindung mit eine;· Informationsspeichervorrichtung.
Eine Matrix aus quadratischen Zellen ist durch zwei Gruppen von dünnen, rechteckförmigen gedruckten
Schaltungen 1, 2 ausgebildet, die rechtwinklig zueinander verlaufen, jede Schaltplatte 1,2 weist einen Satz von
im Abstand angeordneten parallelen Schlitzen J auf, die von einer Kante der Schaltplatte zur Mitte derselben
reichen. Die Gruppe von Schaitplatten 1 ist mit ihren geschlitzten Kanten am weitesten unten angeordnet,
und die Gruppe von Schaltplatten 2 mit ihren geschlitzten Kanten am weitesten oben, so daß die
beiden Gruppen von Schaltplatten ineinandergreifen. Die quadratischen Zellen, die durch die Schaltplatten 1,
2 gebildet sind, sind etwa 1 mm breit und 20 mm lang. Jede Schaltplatte 1, 2 nimmt eine kammförmige
Elektrodenanordnung 4 auf jeder Seite auf (vgl. F i g. 2). Der Einfachheit halber sind die Elektroden 4 in F i g. 1
nicht gezeigt. Die Elektrodenanordnungen 4 auf den Schaltplatten 1 sind mit einer AT-Steuerungsquelle 5 und
die Elektrodenanordnungen 4 auf den Schaltplatten 2 mit einer K-Steuerungsquelle 6 verbunden.
Eine Röhre aus Borsilikatglas 7, die etwa einen Durchmesser von 1 mm und eine Länge von etwas mehr
als 2 cm aufweist, wird in jede Zelle der Matrix eingesetzt Vorzugsweise vor dem Einsetzen der
Röhren 7 werden die Enden der Röhren 7 abgeschlossen, so daß die gesamte Matrixanordnung in eine
Vergußanordnung 8 eingesetzt werden kann, damit die
■ ο Schaltplatten und die Röhren miteinander in einer
festen Masse verbunden werden. Die Oberflächen 9 und 10, die die Enden der Röhren 7 aufnehmen, sind soweit
flachgeschliffen, daß die Enden der Röhren 7 offen sind. Diese Rächen 9 und 10 werden dann mit einem
lichtundurchlässigen Überzug (nicht dargestellt) bestrichen, so daß Licht von einer Fläche zur anderen nur
durch die Räume innerhalb der Glasröhren 7 übertragen werden kann.
vollständig mit Nitrobenzol ausgefüllt, indem die
Matrixanordnung in einen Nitrobenzolbehälter (nicht gezeigt) eingesetzt wird. Der Brechungsindex des
Glases, aus dem die Röhren 7 hergestellt sind, gegenüber dem von Nitrobenzol ist so gewählt, daß die
Lichtstrahlen eines etwa parallelen Lichtbündels, das längs der Achse einer Röhre gerichtet ist, an der
Grenzschicht zwischen Glas und Nitrobenzol innen total reflektiert wird. Somit verhalten sich die dünnen
säulenförmigen Elemente 11 aus Nitrobenzol innerhalb
der Röhren wie Lichtführungen, und auf eine Fläche 9
der Matrix auffallendes Licht wird längs der Elemente
übertragen und tritt aus der entgegengesetzten Fläche
10 der Matrix aus.
Informationsspeichervorrichtung gezeigt, wo sie zur Beleuchtung ausgewählter Flächen eines fotografischen
Filmes verwendet wird, welcher Daten speichert Eine polarisierende Schicht 12 ist in der Nähe der Fläche 9
der Matrix angeordnet und eine ähnliche polarisierende
Schicht 13 in der Nähe der Räche 10 der Matrix. Die
Polarisationsebenen, die durch Pfeile 14, 15 der polarisierenden Schichten 12,13 angedeutet sind, stehen
senkrecht aufeinander und sind parallel zu den Schaltplatten 1 und 2 ausgerichtet. Licht aus einer
Lampe 16 oder einer anderen Lichtquelle wird durch ein Linsensystem 17, z. B. Fresnel-Linsen, zu einem etwa
parallelen Strahlenbündel fokussiert, das auf den Polarisator 12 gerichtet wird. Das eben polarisierte
Lichtstrahlenbündel, das aus dem Polarisator 12 austritt,
fällt auf die Oberfläche 9 der Matrix und wird durch das
Nitrobenzol in den Glasröhren 7 übertragen. Da das Lichtstrahlenbündel durch den ersten Polarisator
jedoch in einer Richtung senkrecht zur Polarisationsebene des zweiten Polarisators 13 eben polarisiert wird,
SS wird Licht, das aus den Zellen der Matrix austritt, durch
den zweiten Polarisator 13 blockiert
Die X-Steuerungsquelle S ist in der Weise betätigbar,
daß sie eine Spannung zwischen den Elektroden 4 auf den Stirnflächen von jeweils zwei ausgewählten
benachbarten Schaltplatten 1 anlegt, so daß ein erstes elektrisches Feld an allen Reihen von Elementen 11 aus
Nitrobenzol, die zwischen den ausgewählten beiden benachbarten Schaltplatten 1 angeordnet sind, erzeugt
wird. In ähnlicher Weise ist die K-Steuerungsquelle 6 in
es der Weise betätigbar, daß eine Spannung zwischen den
Elektroden 4 jeweils zweier ausgewählter benachbarter Schaltplatten 2 angelegt wird, damit ein zweites
elektrisches Feld senkrecht zum ersten elektrischen
Feld an allen Spalten der Elemente U, die zwischen den
ausgewählten beiden benachbarten Schaltplatten 2 angeordnet sind, erzeugt wird. Das Element II, das in
der ausgewählten Reihe und in der ausgewählten Spalte angeordnet ist, wird den ersten und zweiten senkrecht
aufeinanderstehenden elektrischen Feldern und damit einem resultierenden elektrischen Feld bei gleich
großen Feldern in einem Winkel von 45° gegen die Reihen und Spalten der Elemente ausgesetzt. Alle
anderen Elemente der Matrix werden entweder dem ersten oder zweiten Feld oder keinem elektrischen Feld
ausgesetzt.
Es läßt sich zeigen, daß die Intensität des durch den zweiten Polarisator 13 übertragenen Lichtes proportional
sin2 2 θ sin2 (0/2) ist, wobei θ den Winkel zwischen
der Polarisationsebene des auf die Zeiie auffaiienden Lichtes und der Richtung des elektrischen Feldes und B
die Phasendifferenz ist, die durch die Zelle für Lichtkomponenten parallel und senkrecht zur Richtung
des Feldes erzeugt wird. Der Ausdruck sin2 2 θ hat den Wert Null füre = O, 90,180 und 270° und den Wert 1 für
e = 45,135,225und315°.
In vorliegendem Falle sind die Felder parallel und senkrecht zur Polarisationsebene des Polarisators 12, so
daß entweder das erste oder zweite Feld allein keine Übertragung von Licht ergibt. Die Intensität des
übertragenen Lichtes ist jedoch ein Maximum, wenn das angelegt Feld im Winkel von 45° zur Polarisationsebene
des Polarisators 12 steht. Wenn sowohl das erste als auch das zweite elektrische Feld an ein Element 11
angelegt werden, bewirkt das resultierende Feld, daß das durch das Element hindurchtretende Licht elliptisch
polarisiert wird. Infolgesessen wird ein Teil des aus diesem Element austretenden Lichtes den zweiten
Polarisator 13 passieren.
Das Licht, das von dem zweiten Polarisator 13 durchgelassen wird, wird durch ein zweites optisches
System 18, das eine Fresnel-Linse aufweisen kann, auf eine Speicherfläche einer optischen Speicherplatte 19
fokussiert. Verschiedene Flächen der Platte 19 können selektiv dadurch beleuchtet werden, daß sowohl das
erste als auch das zweite elektrische Feld an das Element 11 angelegt werden, das der ausgewählten
Fläche entspricht.
Die Speicherflächen sind transparent oder lichtundurchlässig, je nach der durch die Fläche dargestellten
Information. Eine Fotozelle 20 ist hinter der Speicherplatte 19 angeordnet und auf diese Weise wird der
Aussagewert der Information, die in einer Fläche gespeichert wird, welche aufgrund des entsprechenden
Elementes 11 das zwei senkrechten elektrischen Feldern
ausgesetzt wird, beleuchtet ist, dadurch bestimmt, ob die Fotozelle 20 einen Lichtdurchlaß durch die Platte 19
anzeigt oder nicht. Elektrische Signale aus der Zelle 20 werden einer Auswerteinrichtung, z. B. einem Verstärker
21 zugeführt.
Die Anwendung einer länglichen Form für das elektrooptische Material, in vorliegendem Falle Nitrobenzol,
bei dem der Querschnitt sehr viel kleiner als die Länge ist, bewirkt eine wesentliche Verminderung des
ίο Materialvolumens im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen.
Es wurde oben ausgeführt, daß die elektrostatische Energie die in dem Material gespeichert
ist, eine Funktion des Materialvolumens ist. Somit ermöglicht das verringerte Volumen der Ausführungsform
nach vorliegender Erfindung, daß die elektrische Äntriebsenergie für die Matrix vermindert wird.
Aus Gründen der einfacheren Beschreibung wurde angenommen, daß bei fehlenden Feldern das Licht, das
aus der Matrix austritt, in einer Richtung genau senkrecht zur Polarisationsebene des zweiten Polarisators
linearpolisiert ist und daß entsprechend das Licht total gesperrt wird. Dies trifft in der Praxis nicht zu.
Erstens wird für jeden Lichtstrahl, der von einer Oberfläche reflektiert wird, die nicht parallel oder
senkrecht zur Polarisationsebene der Strahlen reflektiert wird, die Polarisation leicht elliptisch. Zweitens tritt
eine geringe Übertragung von Licht (Durchlaß) auf, das durch beide Polarisatoren in einem Winkel zur
optischen Achse verläuft. Diese beiden Einflüsse erzeugen einen bestimmten Lichtdurchlaß, wenn kein
Lichtdurchlaß auftreten soll, was das Signal/Rauschverhältnis des Systems herabsetzt. Beide Einflüsse sind eine
Funktion des Winkels der Lichtstrahlen und man hat festgestellt, daß sich in der Praxis keine Schwierigkeiten
ergeben, falls das Strahlenbündel so ausgebildet ist, daß die Lichtstrahlen um nicht mehr als 2° von der Achse
des Strahlenbündels divergieren.
Die Verwendung eines kreisförmigen Querschnitts für das elektrooptische Material ist zweckmäßig, weil
hierfür geeignete Glasröhren einfach zur Verfügung stehen. Es können jedoch auch andere Querschnittsformen,
z. B. quadratischer Querschnitt, verwendet werden Solche Formen können z. B. zweckmäßig sein, wenn ein
festes Material, z. B. Bariumtitanat als elektrooptisches Material verwendet wird. Die erforderliche Bedingung
der totalen inneren Reflexion kann bei festen Materialien dadurch erreicht werden, daß sie in eine Flüssigkeil
mit entsprechendem Brechungsindex eingetaucht werden, oder dadurch, daß die Oberfläche mit einer dünner
Schicht aus reflektierendem Material überzogen wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Elektrooptische Modulationseinrichtuiig, bei
der zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren eine Matrix von selektiv ansteuerbaren elektrooptischen
Elementen angeordnet ist, bei der an das elektrooptische Material jedes Element zwei aufeinander
senkrecht stehende elektrische Felder unabhängig voneinaner anlegbar sind, deren Richtungen senkrecht zur Lichtstrahlrichtung und parallel zu jeweils
einer der Polarisationsebenen der beiden Polarisatoren orientiert sind und die sich bei gemeinsamem
Anliegen überlagern, wobei nur bei gemeinsamem Anliegen Lichtdurchgang durch die Einrichtung
zustandekcmmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der elektrooptischen Elemente (7) in
Lichtstrahlrichtung erheblich größer ais ihre Ausdehnung in Querrichtung ist, daß sich jedes
elektrooptische Element (7) in einem länglichen Behälter (11) befindet, an dessen Wandungen
achsparallele Elektroden (4) zur Erzeugung der elektrischen Felder angebracht sind, daß jedes
elektrooptische Element (7) von einem Material mit niedrigerem Brechungsindex so umgeben ist, daß der
Lichtstrahl beim Durchgang innen an der Grenzfläche total reflektiert wird, und daß der Lichtstrahl
eine Divergenz von weniger als 2° besitzt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen und Spalten der Matrix
etwa parallel zu den Polarisationsebenen der Polarisatoren angeordnet sind, und daß alle jene
Elektroden der Elemente einer Reihe oder Spalte, die sich an derselben, die Reihe bzw. die Spalte
seitlich begrenzenden Wandung befinden, jeweils miteinander elektrisch verbunden sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen in der Matrix
aus zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Gruppen von rechteckförmigen Platten (1, 2)
bestehen, daß jede Platte einen Satz von im Abstand angeordneten parallelen Schlitzen aufweist, die
senkrecht zum Rand von einem Rand der Platte zur Mitte der Plattenbreite verlaufen, und daß die beiden
Gruppen von Platten mit aufeinander zu gerichteten Schlitzen, so ineinandergeschoben sind, daß sie sich
an den Kreuzungspunkten der Platten mit ihren Schlitzen ineinander verriegeln.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1, 2) Schaltplatten mit
gedruckter Schaltung sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltplatte (1, 2) eine kammförmige Leiteranordnung auf jeder Stirnseite aufweist,
in der die Elektroden (4) die Zinken des Kammes bilden und jeweils zwischen benachbarten Schlitzen
angeordnet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes elektrooptische Element (7) aus
flüssigem Material besteht, das in der Bohrung eines festen Körpers aus Material mit niedrigerem
Brechungsindex untergebracht ist.
Applications Claiming Priority (2)
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