DE1961668C3 - Prismatischer Wellenlaufzeitkörper mit dreieckiger Grundfläche - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen aus einem Prisma mit dreieckiger Grundfläche gebildeten WeI-lcnlaufzeitkörper, bei dem die Welle zu einer Stelle der Hypothenusenfläche, die senkrecht zu der dreiekkigen Grundfläche steht, in den Körper eintritt und an einer anderen Stelle der Hypothenusenfläche wieder austritt.

Eine Anwendung derartiger Wellenlaufzeitkörper ist eine Ultraschallverzögerungsleitung, bei der mit Hilf'.¹ eines Eingangswandlers elektrische Wellen in mechanische Ultraschallwellen umgewandelt werden, die sich durch den Körper fortpflanzen und nach mehrmaliger Reflexion schließlich auf einen Ausgangswandler auffallen, der sie wieder in elektrische Wellen umwandelt. Durch die Laufzeit dieser Ultraschallwellen durch den Körper wird eine gewisse Verj:ngerungszeit zwischen den elektrischen Eingangs- und Ausgangssignalen herbeigeführt, was bei Farlifernseh- und Rechenanlagenschaltungen Anwendung Eine andere Anwendung des erwähnten Wellenlaufzeitkörpers liegt auf dem Gebiet der Modulation von Licht oder anderen elektromagnetischen Wellen. Das Licht oder die Welle durchläuft dabei einen Körper mit moduiierbarer Brechungszahl, z. B. einen Kaliumdihydrophosphat- oder anderem doppelbrechenden Einkristall, dessen Brechungszahl von der angelegten elektrischen Feldstärke abhängig ist. Die Laufzeit wird dadurch moduliert, so daß das austretende Licht oder die austretende Welle in der Phase undoder in der Amplitude moduliert ist.

Aus »Journal of the Acustical Society of America«, Januar 1948, Seite 14, ist ein prismatischer Ultraschall-Verzögerungskörper mit dreieckiger Grundfläche bekannt, bei dem die Eintritts- und Austrittsstellen auf der Hypothenusenfläche so angeordnet sind, daß die Welle an jeder der Kathetenflächen nur einmal reflektiert wird. Dies setzt aber voraus, daß die Winkel zwischen Hypothenusenfläche und den Kathetenflächen genau eingehalten werden. Eine Winkelabweichung hat zur Folge, daß die Welle an dem Ausgangswandler mit einem von 90° abweichenden Winkel auftrifft.

Auch bei dem aus der US-PS 3 148343 bekannten Ultraichall-Verzögerungskörper mit dreieckiger Grundfläche müssen die Winkel zwischen der Hypothenusenfläche und den Kathetenflächen genau eingehalten werden, obwohl hierbei die Eintritts- und Austrittsstellen nicht auf der Hypothenusenfläche angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wellenlaufzeitkörper zu schaffen, bei dem die Winkel zwischen der Hypothenusenfläche und den Kathetenflächen unkritisch sind. Hierdurch werden bei der Herstellung relativ große Toleranzen zulässig, ohne daß die Güte di.s Welienlaufzeitkörpers leidet.

Diese Aufgabe wird bei einem Wellenlaufzeitkörper eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dL Winkel zwischen der Hypothenuse und den Katheten der dreieckigen Grundfläche zwischen 45 und 60° sind, und die Eintritts- und Austrittsbtellc für die Welle auf der Hypothenusenfläche so angeordnet sind, daß die Welle zunächst an der der Eintrittsstelle benachbarten Kathetenfläche auf die der Eintrittsstelle nicht benachbarten Ka'hetenfläche reflektiert wird, von dort zur Hypothenusenfläche, von dort abermals zunächst auf die der Eintrittsstelle der Welk benachbarten Kathetenflache, dann auf die der Eintrittsstelle nicht benachbarte Kathetenfläche und von dort schließlich zu der Austrittsstelle auf der Hypothenusenfläche.

Da hierbei die Wellen an jeder Kathetenfläche zweimal reflektieren und zwischendurch jeweils zwei weitere Reflexionen an den anderen Flächen stattfinden, wild erreicht, daß eine nach der ersten Reflexion durch Winkelabweichung de^r Kathetenflächen verursachte Abweichung der Wellenlaufrichtung bei der zweiten Reflexion selbsttätig korrigiert wird.

Wird der Wellenlaufzeitkörper -.'Is Ultraschall-Verzögerungsleitung angewendet, so sind gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung nach der Erfindung an der Ein- und Austrittsstelle der Welle Wandler /ur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen und umgekehrt angebracht.

Zweckmäßig weisen die Winkel zwischen Hypothenuse und den Katheten Werte zwischen 46 und 50° auf und sind die von der Welle nicht durchlaufenen Teile des Körpers fortgelassen.

Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen der Hypothenuse und den Katheten etwa ⁴8°.

Der Wellenlaufzeitkörper nach der Erfindung läßt sich auch als Lichtmodulator verwenden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen dreieckigen prismatischen Körper mit Eckpunkten A, B und C, wobei auf der Hypothenusenfläche Wandler T₁ und T₁ angebracht:sind. Düse Wandler wandeln elektrische Wellen in mechanische Wellen um und umgekehrt. Die von dem Wandler T₁ ausgehende Ultraschallwelle wird sich längs der vollen Linie durch den Körper fortnflanzen. Eine gewisse Bündelung der Welle kann da- *5 durch erhalten werden, daß die Wandler in der Mitte am stärksten und in Richtung auf cen linken bzw. rechten Rand schwächer polarisiert und oder die Wandler konkav ausgebildet werden, d. h., dsiß ihre Dicke in der Mitte am geringsten ist und zu den Randem hin etwas zunimmt.

Die Polarisationsrichtung ist vorzugsweise parallel zur Richtung AB gewählt, während die Dicke des Körpers senkrecht zur Zeichnungsebene, vorzugsweise kleiner als das Fünffache der Wellenlänge der ^a5 mechanischen Ultraschallwelle im Körper gewühlt ist. Ein derartiger Körper wird z. B. aus einem viel dickeren Prisma hergestellt, dessen Seiten AB, RC jnd CA vorher geschliffen sind; Wandler sind über die ganze Höhe (also senkrecht zur Zeichnungsebene) dieses 3<> prismatischen Körpers angebracht, wobei diese Wandler vorher in einer zu AB parallelen Richtung polarisiert sind, wonach dieser prismatisch^ Körper senkrecht zu dieser Höhenrichtung, d. h. parallel zur Zeichnungsebene, in dünne Scheiben gesägt wird, so daß der in der Figur dargestellte Körper erhalten wird. Die schraffierten Teile des Körpers können dabei mit einem Dämpfungsmaterial überzogen werden, damit gesichert wird, daß die Ultraschallwelle lediglich den gezeichneten (nicht schraffierten) Bahnen folgt. Anstatt ein Dämpfungsmaterial anzubringen, kann die Oberfläche auch örtlich - z. B. durch Ätzen - aufgerauht werden, wodurch die Wellen örtlich zerstreut und somit geschwächt werden. Auch können die schraffierten Teile mit irgendeiner Schicht, z. B. einer Metallschicht, überzogen werden, wodurch eine akustische Fehlanpassung für die Ultraschallwellen erhalten wird, die zur Folge hat, daß die Ultraschallwelle diese schraffierten Gebiete praktisch nicht durchlaufen kann.

Nach der Erfindung sind die Winkel zwischen Hypothenuse und den Katheten bei A und ß zwischen 45 und 60° gewählt, während die Wandler T₁ und T₂ derart angebracht sind, daß der dargestellte Verlauf erhalten wird. Die Wellen reflektieren daher, ausgehend vom Wandler T₁, zunächst an der Kathetenfläche .4C, dann an der Kathetenfläche CB, anschließend ander Hvpothenusenfläehe AB und dann wieder an der ersten Kathetenfläche AC, anschließend wieder an der anderen Kathetenfläche CB, wonach sie den Ausgangswand'.er T₂ auf der Hypothenusenfläche AB treffen. Aus den angegebenen Werten für die unterschiedlichen Winkel läßt sich ablesen, daß, wenn die Welle den Eingangswandler T₁ in senkrechter Richtung verläßt, sie auch in senkrechter Richtung auf den Ausgangswandler T₂ einfällt, so daß Toleranzen der Winkel u und β die Richtung der auf den Wandler T₂ einfallenden Welle und somit auch die Laufzeit der Wellen, zwischen den Wandlern T₁ und T₂ gemessen, nicht beeinflussen. Wenn für die Hypothenusenwinkel bei A und B andere als die angegebenen Werte gewählt werden, kann der dargestellte Verlauf nicht erzielt werden. Vorzugsweise werden die Winkel bei A und B zwischen 46 und 50°, z. B. gleich 48°, gewählt, damit die Totalreflexion an den unterschiedlichen Reflexionsflächen möglichst ausgenutzt wird. Die Wandler T₁ und T₂ müssen dann in geringerer Entfernung voneinander angebracht werden, wobei wenigstens die schraffierten Teile in der Nähe der Winkel bei A und B völlig fortgelassen werden können. Die dann erhaltene Verzögerungsleitung hat eine besonders gedrängte Bauart, wobei in einer kurzen Zeitspanne eine große Verzögerungszeit. z. B. die für Farbfernsehempfänger übliche Verzögerungszeit von etwa 64 μ%ε\ί, erreicht werden kann.

Aus obenstehendem geht hervor, daß die angegebene Geometrie gleichfalls für die beschriebenen Lichtmodulationsvorrichtungen verwendet werden kann. Der Körper ABC besteht dann aus Material, dessen Brechungszahl z. B. mit Hilfe einer angelegten elektrischen Feldstärke moduliert werden kann, so daß der bei T₁ einfallende Lichtstrahl (die Wandler T₁ und T₂ sind dann selbstverständlich fortgelassen) wieder der gezeichneten Bahn folgt und in senkrechter Richtung bei T₂ austritt. Auch wenn der einfallende Lichtstrahl schräg auf die Basis AB einfällt, ist der austretende Lichtstrahl wieder völlig parallel zu diesem einfallenden Lichtstrahl, welche Eigenschaft bei Verwendung von Lasern als Lichtquelle besonders günstig ist.

Es sei noch bemerkt, daß die Wandler T₁ und T, nicht notwendigerweise auf der Fläche AB selbst angebracht zu sein brauchen, an welcher Fläche auch die Welle reflektiert, sondern daß diese Wandler z. B. auch auf einer zu der Fläche AB parallelen Fläche angebracht s ;in können. Insbesondre kann es vorteilhaft sein, wenn der Körper an der Stelle, an der die obenerwähnte Reflexion erfolgt, parallel zu sich selbst teilweise weggeschliffen wird, wodurch eine direkte Kopplung von Steuei strahlung vom Wandler T₁ auf den Wandler T₂ vermieden wild.

Der Körper braucht nicht unbedingt ein fester Körper. L. B. aus Glas, zu sein; er kann z. B. auch eine Flüssigkeit sein, wobei die Wände des diese Flüssigkeit enthaltenden Gefäße:, einen Querschnitt in Form des Dreiecks ARC aufweise η.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Aus einem Prisma mit dreieckiger Grundfläche gebildeter Wellenlaufzeitkörper, bei dem die Welle an einer Stelle der Hypothenusenfläche, die senkrecht zu der dreieckigen Grundfläche steht, in den Körper eintritt und an einer anderen Stelle der Hypothenusenfläche wieder austritt, d ad urch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen der Hypothenuse und den Katheten der dreieckigen Grundfläche zwischen 45 und 60° C sind, und die Eintritts- und Austrittsstelle für die Welle auf der Hypothenusenfläche so angeordnet sind, daß die Welle zunächst an der der Eintrittsstelle benachbarten Kathetenfläche auf die der Eintrittsstelle nicht benachbarten Kathetenfläche reflektiert wird, von dort zur Hypothenusenfläche, von dort abermals zunächst auf die der Eintrittsstelle der Welle benachbarten Kathetenfläche, dann auf die der Eintrittsstelle nicht benachbarte Kathetenfläche und von dort schließlich zu der Austrittsstelle auf der Hypothenusenfläche.

2. Wellenlaufzeitkörper nach Anspruch 1, der als Ultraschallverzögerungsleitung angewandt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ein- und Austrittsstelle der Welle Wandler zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen und umgekehrt angebracht sind.

3. Wellenlaufzeitkörper nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen Hypothenust und den Katheten Werte zwischen 46 und 50" aufweisen und daß die von der Welle nicht durchlaufenen Teile des Körpers fortgelassen sind.

4. Wellenlaufzeitköiper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Hypothenuse und den Katheten etwa 48° beträgt.

5. Verwendung eines Welienlaufzeitkörpers nach einem der Ansprüche 1,3 und 4 als Lichtmodulator.