DE19731135C2 - Anordnung und Verfahren zur elektrischen Steuerung der Intensität von unpolarisiertem Licht - Google Patents
Anordnung und Verfahren zur elektrischen Steuerung der Intensität von unpolarisiertem LichtInfo
- Publication number
- DE19731135C2 DE19731135C2 DE1997131135 DE19731135A DE19731135C2 DE 19731135 C2 DE19731135 C2 DE 19731135C2 DE 1997131135 DE1997131135 DE 1997131135 DE 19731135 A DE19731135 A DE 19731135A DE 19731135 C2 DE19731135 C2 DE 19731135C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- arrangement according
- liquid crystal
- light
- reflecting device
- electro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/1326—Liquid crystal optical waveguides or liquid crystal cells specially adapted for gating or modulating between optical waveguides
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
- G02F1/139—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
- G02F1/141—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent using ferroelectric liquid crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/02—Function characteristic reflective
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur
elektrischen Steuerung der Intensität von unpolarisiertem
Licht, wobei ein polarisierender Strahlenteiler über eine
Eintrittsfläche derart mit dem zu steuernden Licht
beaufschlagt ist, daß es in zwei orthogonal zueinander
polarisierte Lichtbündel aufgespalten wird.
Für eine Vielzahl von Anwendungen auf dem Gebiet der Optik,
beispielsweise in der Informationsverarbeitung, in der
Lasertechnik und für viele geodätische, astronomische und
navigatorische Anwendungen werden Anordnungen benötigt, die
Licht schalten oder modulieren können.
Bei bekannten derartigen elektro-optischen Schaltern und
Modulatoren werden entweder Kristalle oder Flüssigkristalle
verwendet. Transparente Kristalle, wie beispielsweise
LiNbO3, benötigen hohe Arbeitsspannungen, erlauben nur
geringe Aperturen und sind kostenspielig. Wegen der kleinen
Lichtbündeldurchmesser sind sie zur Schaltung von
Lichtbündeln, welche Abbildungen enthalten, wenig geeignet.
Infolge der hohen Dispersion ist außerdem die Verwendung von
monochromatischen Lichtquellen (Laser) erforderlich. Die
optischen und elektrischen Parameter werden im Gebrauch
verändert und verschlechtern somit die Eigenschaften des
elektro-optischen Schalters bzw. Modulators. Außerdem geht
50% des Lichtes verloren, da diese Schalter und Modulatoren
in Verbindung mit Polarisatoren eingesetzt werden.
Bei einem bezüglich dieser Eigenschaften verbesserten
optischen Modulator, der durch DE 30 13 498 A1
bekanntgeworden ist, werden beide Polarisationsrichtungen in
Verbindung mit einem polarisierenden Strahlenteiler genutzt.
Die übrigen genannten Nachteile bleiben jedoch bestehen.
Ferner ist es bei dem bekannten Modulator nachteilig, daß
die Arbeitsspannung über 100 V trägt. Außerdem entstehen
durch eine notwendige Kaskadierung des Modulators erhebliche
Kosten.
Bei einer anderen bekannten Anordnung, die von Hirabayashi,
T. Kurokawa in "Liquid crystal devices for optical
communication and information processing systems", Liquid
Crystals Vol. 14 pp 307-317 (1993), beschrieben wurde, wird
ein nematischer Flüssigkristall in sogenannter
Twist-Anordnung genutzt. Dabei lassen sich größere Aperturen
erreichen. Nachteilig bei nematischen Flüssigkristallen sind
jedoch ihre große Schaltzeit von beispielsweise einigen
100 ms und Probleme bei der Darstellung von Zwischenwerten.
Durch Chiung-Shevy Wu, Shine Tsou Wu: "New liquid crystal
operation modes", Vol. 2949 SPIE, Image Sciences and Display
Technologies. Proc. Berlin Conf. FRG 7-10 (1996) ist ein
Modulator bekanntgeworden, bei dem die von einem
polarisierenden Strahlenteiler erzeugten beiden
Polarisationszustände s und p in Gegenrichtung durch eine
elektro-optische Flüssigkristallzelle geführt werden. Dieses
führt zu hohen Rotationswinkeln. Außerdem sind die Zellen
mit einer Schaltfrequenz von etwa 10 Hz zu langsam.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung
und ein Verfahren zur elektrischen Steuerung der Intensität
von unpolarisiertem Licht anzugeben, die bei geringer
Steuerspannung, wie sie beispielsweise in üblichen
Transistorschaltungen und integrierten Schaltungen zur
Verfügung steht, eine möglichst schnelle Steuerung
ermöglicht. Dabei soll ferner eine hohe Schalteffizienz
erreicht werden, das heißt, eine hohe Transparenz im
Ein-Zustand und eine möglichst hohe Dämpfung des zugeführten
Lichtes im Aus-Zustand.
Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung
dadurch gelöst, daß eine erste reflektierende Einrichtung
zur Reflexion mindestens eines der polarisierten Lichtbündel
ausgebildet ist, so daß beide polarisierten Lichtbündel
parallel verlaufen, daß im Weg der parallel verlaufenden
polarisierten Lichtbündel mindestens ein elektro-optisches
Element, das die Polarisation in Abhängigkeit von einer
zugeführten Steuerspannung verändert, und eine zweite
reflektierende Einrichtung zur Reflexion der Lichtbündel in
die Gegenrichtung derart angeordnet sind, daß die
Lichtbündel zweimal durch das mindestens eine
elektro-optische Element hindurchtreten und durch die erste
reflektierende Einrichtung auf den polarisierenden
Strahlenteiler gerichtet werden, und daß mindestens einer
Austrittsfläche des polarisierenden Strahlenteilers das
gesteuerte Licht entnehmbar ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich zur schnellen
Verarbeitung von Grauwertskalen und als schneller optischer
Schalter bei niedriger Schalterspannung verwenden sowie als
aktives Element zur automatischen Kontrolle von
Lichtintensitäten in Rückkoppelungsschleifen mit geeigneten
Lichtquellen. Er kann in faser-optischen Aufbauten sowie in
optischen Parallelprozessoren zur Verarbeitung von
Nachrichten eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich ferner als
optischer Begrenzer in Brillen, Videokameras oder in der
optischen Nachrichtenübertragung einsetzen. In Folge der
geringen Verluste und der hohen Effizienz sind auch
Anwendungen für Laserlicht mit hoher Leistung möglich.
Gegenüber den bekannten elektro-optischen Schaltern und
Modulatoren hat die erfindungsgemäße Anordnung mehrere
Vorteile. Die Schalteffizienz beträgt für unpolarisiertes
Licht mehr als 99% zwischen den beiden Schaltzuständen. Die
an sich schon geringen Verluste durch Reflexionen an den
optischen Flächen der einzelnen Komponenten bei der
erfindungsgemäßen Anordnung können durch Antireflexschichten
weiter vermindert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden je nach
Ausführungsform im einzelnen kleine Drehwinkel der optischen
Indikatrix des Flüssigkristalls im elektrischen Feld
benötigt. Daraus ergibt sich eine Fülle von Möglichkeiten
für die Anwendung verschiedener elektro-optischer Effekte
von Flüssigkristallen in der erfindungsgemäßen Anordnung.
Insbesondere bei der Anwendung von Flüssigkristallen mit dem
SSFLC-Effekt lassen sich Schaltzeiten im Bereich von µs
erreichen. Der SSFLC-Effekt ist beispielsweise beschrieben
in N. Clark et al. Appl. Phys. Lett. 899 (1980); US-Patent
4,563,059 vom 7. Jan. 1986.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich in
vorteilhafter Weise Zwischenwerte zwischen dem Ein- und dem
Aus-Zustand einstellen, so daß eine Grauwert-Modulation mit
Zeitkonstanten im Mikro- und Submikrosekundenbereich bei
Anwendung des elektroklinen Effektes möglich ist.
Bei Anwendung des DHF-Effektes (deformed helix
ferro-electric effect) in der helixförmigen smektischen
C-Phase können Arbeitsspannungen von etwa 1 V und
Zeitkonstanten von etwa 100 µs erreicht werden.
Außerdem hat die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, daß
die Schalteffizienz von der Farbe des Lichtes nur äußerst
geringfügig abhängig ist. Deshalb ist die erfindungsgemäße
Anordnung auch für Farbbilder hervorragend geeignet.
Schließlich ergibt sich als weiterer Vorteil ein einfacher
und kostengünstiger Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die meisten Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung beruhen
darauf, daß durch den doppelten Durchgang durch das
elektro-optische Element die elektrische Drehung der
Indikatrix des Flüssigkristalls auch in Verbindung mit der
Verzögerungsplatte viel kleiner sein kann als bei einmaligem
Durchgang.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung besteht darin, daß das elektro-optische Element
und die zweite reflektierende Einrichtung getrennte
Bauelemente sind, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, daß das
mindestens eine elektro-optische Element eine
Flüssigkristallzelle ist mit einer Flüssigkristallschicht
zwischen transparenten Elektroden, denen die Steuerspannung
zuführbar ist.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform mit noch geringerem
technischen Aufwand besteht darin, daß das elektro-optische
Element eine Flüssigkristallzelle ist mit einer
Flüssigkristallschicht zwischen einer transparenten und
einer reflektierenden Elektrode, welche die zweite
reflektierende Einrichtung bildet, und daß den Elektroden
die Steuerspannung zuführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Anordnung ist vorgesehen, daß im Weg der parallel
verlaufenden polarisierten Lichtbündel ferner eine
Verzögerungsplatte angeordnet ist, wobei die
Verzögerungsplatte eine optische Stärke von einem Viertel
der Wellenlänge des Lichtes oder bei breitbandigem Licht der
Schwerpunktwellenlänge aufweist.
Eine weitere Verringerung des für die Steuerung
erforderlichen Drehwinkels ist gemäß einer Weiterbildung der
erfindungsgemäßen Anordnung dadurch möglich, daß zwei
elektro-optische Elemente hintereinander im Weg der parallel
verlaufenden polarisierten Lichtbündel angeordnet sind.
Je nach Voraussetzungen und Anforderungen im einzelnen kann
bei der erfindungsgemäßen Anordnung die erste reflektierende
Einrichtung verschieden ausgebildet sein. Einige dieser
Ausbildungen sind in Unteransprüchen aufgeführt. In weiteren
Unteransprüchen sind verschiedene vorteilhafte
Ausgestaltungen der zweiten reflektierenden Einrichtung
angegeben.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
besteht darin, daß die mindestens eine Flüssigkristallzelle
einen nematischen Flüssigkristall enthält. Dabei ist
vorzugsweise vorgesehen, daß der nematische Flüssigkristall
eine positive dielektrische Anisotropie besitzt und im
elektrischen Feld in an sich bekannter Weise in eine
homeotrope Orientierung übergeht.
Diese Weiterbildung kann derart ausgebildet sein, daß die
Dicke d des Flüssigkristalls ohne Beaufschlagung durch ein
elektrisches Feld die Bedingung δn . d = lambda/4 + N . lambda
bezüglich seiner Phasenverzögerung erfüllt, wobei N eine
ganze Zahl und δn die Doppelbrechung des Flüssigkristalls
ist. Es ist jedoch ebenfalls möglich, daß die Dicke d des
Flüssigkristalls die Bedingung δn . d = 3/8 . lambda + N . lambda
oder die Bedingung δn . d = lambda/2 + N . lambda erfüllt.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Anordnung besteht darin, daß die mindestens eine
Flüssigkristallzelle einen ferro-elektrischen
Flüssigkristall enthält, wobei die Dicke d des
ferro-elektrischen Flüssigkristalls die Bedingungen
δn . d = lambda/4 + N . lambda, die Bedingung
δn . d = (3/8)lambda + (N . lambda) oder die Bedingung
δn . d = (lambda/2) + (N . lambda) erfüllt.
Der ferro-elektrische Effekt hat den Vorteil, daß infolge
des kleinen Drehwinkels und der schnellen Drehung der
langsamen Achse sehr kurze Schaltzeiten erreicht werden
können.
Wie bereits erwähnt ist die erfindungsgemäße Anordnung in
vorteilhafter Weise zur Modulation oder zum Schalten von
Licht geeignet. Ein Umschalten oder ein Überblenden zwischen
zwei Ausgangslichtbündeln ist außerdem bei einer anderen
Weiterbildung dadurch möglich, daß die erste reflektierende
Einrichtung, das elektro-optische Element und die zweite
reflektierende Einrichtung derart angeordnet sind, daß
Licht, das invers zu dem der Austrittsfläche entnehmbaren
Licht gesteuert ist, an der Eintrittsfläche versetzt zu dem
zu steuernden Licht austritt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Aufgabe dadurch
gelöst, daß eine erste reflektierende Einrichtung zur
Reflexion mindestens eines der polarisierten Lichtbündel
ausgebildet ist, so daß beide polarisierten Lichtbündel
parallel verlaufen, daß im Weg der parallel verlaufenden
polarisierten Lichtbündel mindestens ein elektro-optisches
Element angeordnet ist, das von beiden Lichtbündeln
durchstrahlt wird und die Polarisation der Lichtbündel in
Abhängigkeit von einer zugeführten Steuerspannung verändert,
daß eine zweite reflektierende Einrichtung die beiden
Lichtbündel nach dem Verlassen des elektro-optischen
Elementes in sich oder parallel versetzt in ihrer Richtung
umkehrt und erneut auf das elektro-optische Element wirft,
daß die Polarisation der beiden Lichtbündel im
elektro-optischen Element erneut verändert wird, so daß die
Summe der Veränderungen der Polarisation der beiden
Lichtbündel beim Durchgang durch das erste reflektierende
Element, dem anschließenden Durchgang durch das
elektro-optische Element, der anschließenden Reflexion am
zweiten reflektierenden Element, dem zweiten Durchgang durch
das elektro-optische Element und endlich dem zweiten
Durchgang durch das erste reflektierende Element in
umgekehrter Richtung eine Gesamtveränderung der Polarisation
der beiden Lichtbündel erzeugt, die je nach Steuerspannung
am elektro-optischen Element das Licht der beiden
Lichtbündel am polarisierenden Strahlenteiler entweder in
die Eintrittsfläche führt (dies entspricht einem jeweils
unveränderten Polarisationszustand) oder zur Austrittsfläche
führt (dies entspricht dem jeweils orthogonalen
Polarisationszustand).
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Prinzip-Skizze der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 einen elektro-optischen Schalter nach dem Stand der
Technik,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer
schematischen Darstellung der reflektierenden
Einrichtungen,
Fig. 4 die in Fig. 3 dargestellte Anordnung mit einer
zusätzlichen Verzögerungsplatte,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit zwei
Flüssigkristallzellen,
Fig. 6 bis Fig. 13 verschiedene Ausführungsbeispiele der
ersten reflektierenden Einrichtung bei lediglich
schematischer Darstellung des elektro-optischen
Elementes und der zweiten reflektierenden
Einrichtung,
Fig. 14 bis Fig. 23 verschiedene Ausführungsbeispiele für
die zweite reflektierende Einrichtung bei lediglich
schematischer Darstellung der ersten reflektierenden
Einrichtung und des elektro-optischen Elementes,
Fig. 24 ein Ausführungsbeispiel, bei welchem beide
reflektierenden Einrichtungen von Prismen gebildet
werden,
Fig. 25 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Pentaprismen als
zweite reflektierende Einrichtung,
Fig. 26 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Dachkantprismen als
reflektierende Einrichtung,
Fig. 27 ein Ausführungsbeispiel mit zwei hohlen
Dachkantspiegeln als zweite reflektierende
Einrichtung,
Fig. 28 ein Ausführungsbeispiel in perspektivischer
Darstellung,
Fig. 29 ein weiteres Ausführungsbeispiel in perspektivischer
Darstellung,
Fig. 30 ein drittes Ausführungsbeispiel in perspektivischer
Darstellung,
Fig. 31 ein Ausführungsbeispiel mit jeweils einem Prisma als
reflektierende Einrichtung, einer nematischen
Flüssigkristallzelle und einer Verzögerungsplatte,
Fig. 32 ein Ausführungsbeispiel wie in Fig. 31, jedoch ohne
Verzögerungsplatte,
Fig. 33 ein Ausführungsbeispiel wie in Fig. 31, jedoch mit
einer ferro-elektrischen Flüssigkristallzelle,
Fig. 34 die Temperaturabhängigkeit der Schaltzeit eines
elektroklinen Materials,
Fig. 35 die Modulationstiefe der Anordnung nach den Fig.
30 und 33 als Funktion der Steuerspannung.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen. In den Figuren sind die Lichtbündel als Geraden
dargestellt mit in Längsrichtung weisenden Pfeilen, welche
die Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Lichtbündels
anzeigen. Doppelpfeile quer zur Längsrichtung bedeuten eine
Polarisation in der Zeichenebene, während Kreise mit einem
Punkt eine Polarisation senkrecht zur Zeichenebene
darstellen.
Fig. 2 stellt einen bekannten elektro-optischen Schalter in
einer geschlossenen Stellung (Fig. 2a) und in einer offenen
Stellung (Fig. 2b) dar. Das zu schaltende unpolarisierte
Lichtbündel wird über eine Eintrittsfläche 1a einem
polarisierenden Strahlenteiler 1 zugeführt. Der
Strahlenteiler 1 schaltet das unpolarisierte kollimierte
Licht an der Eintrittsfläche in seine polarisierten
Komponenten s und p, die als Lichtbündel 2, 3 den
polarisierenden Strahlenteiler wieder verlassen. Über je
einen Spiegel 102, 103 werden die polarisierten Lichtbündel
2, 3 in Richtung auf eine TN-Flüssigkristallzelle 104
geleitet. Die reflektierten Lichtbündel durchlaufen die
Flüssigkristallzelle 104 in entgegengesetzter Richtung und
werden von dem jeweils anderen Spiegel 103, 102 wieder zum
polarisierenden Strahlenteiler reflektiert.
Ist keine Spannung an die Elektroden der
Flüssigkristallzelle angelegt, so dreht diese die
Polarisationsebene der Lichtbündel jeweils um 90°. Dieser
Fall ist in Fig. 2a dargestellt. Das Lichtbündel 2, das
zunächst senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist, erhält
damit eine Polarisation in der Zeichenebene und wird damit
über den Spiegel 103 zum polarisierenden Strahlenteiler
geleitet. Wegen dieser Polarisation wird dieses
Strahlenbündel der Strahlenteiler nicht reflektiert, sondern
in Richtung auf den Eintrittsstrahl gerade hindurchgelassen.
Licht, das zunächst in der Zeichenebene polarisiert ist,
wird senkrecht zur Zeichenebene gedreht und gelangt über den
Spiegel 108 zum Strahlenteiler 1, wo es in Richtung auf das
zugeführte Lichtbündel reflektiert wird. An einer
Austrittsfläche 1b tritt kein Licht aus.
Bei dem in Fig. 2b dargestellten Fall ist die
Flüssigkristallzelle 104 mit Spannung beaufschlagt und dreht
die Polarisationsebene nicht. Damit gelangen die
polarisierten Lichtbündel 2, 3 jeweils mit einer gegenüber
dem Pfeil nach Fig. 2a gedrehten Polarisation zum
Strahlenteiler 1. Dort wird das zurückkehrende Lichtbündel 2
reflektiert und das zurückkehrende Lichtbündel 3 nicht
reflektiert, so daß beide Lichtbündel aus der
Austrittsfläche 1b austreten.
Fig. 1 zeigt zwei Varianten eines ersten
Ausführungsbeispiels, bei dem das zu steuernde Lichtbündel
über die Eintrittsfläche 1a des polarisierenden
Strahlenteilers 1 zugeführt wird und zunächst wie bei der
bekannten Anordnung nach Fig. 2 in zwei polarisierte
Lichtbündel 2 und 3 aufgespalten wird. In einer ersten
reflektierenden Einrichtung 4 werden die polarisierten
Lichtbündel 2, 3 dann derart umgelenkt, daß sie parallel
verlaufen. Von dort gelangen sie zu einer Einrichtung 5, die
ein elektro-optisches Element 6 enthält, das die
Polarisation in Abhängigkeit von einer zugeführten
Steuerspannung dreht. Eine zweite reflektierende Einrichtung
ist in den Fig. 1a und 1b verschieden ausgebildet,
nämlich derart, daß im Falle von Fig. 1a jedes der parallel
verlaufenden polarisierten Lichtbündel 2, 3 in sich selbst
zurückgespiegelt wird, während im Falle von Fig. 1b das
Lichtbündel 2 als Lichtbündel 2' entgegengesetzt zum
Lichtbündel 3 und das Lichtbündel 3 entgegengesetzt zum
Lichtbündel 2 als Lichtbündel 3' reflektiert wird. Beide
Varianten sind im Ein-Zustand dargestellt.
In Fig. 3 ist das elektro-optische Element 6 etwas
detaillierter als Flüssigkristallzelle 8 dargestellt mit
einem Flüssigkristall 9 zwischen transparenten Elektroden
9', 9" und einem Pfeil 8', der die langsame Achse
kennzeichnet. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3
enthält das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 eine
Verzögerungsplatte 10.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine
weitere Flüssigkristallzelle 11 mit einem Flüssigkristall 12
und durchsichtigen Elektroden 12' und 12" vorgesehen. Durch
die Hintereinanderschaltung zweier Flüssigkristallzellen 8,
11 wird gegenüber den Ausführungsbeispielen nach den Fig.
3 und 4 lediglich die halbe Drehung zur Erreichung des
gleichen Intensitätsunterschiedes beim gesteuerten
Lichtbündel benötigt. Wie später noch im einzelnen
ausgeführt wird, genügt unter bestimmten Voraussetzungen ein
Winkel von ±5,625° zur vollständigen Durchsteuerung.
Die Fig. 6 bis 13 zeigen Ausführungsbeispiele mit
verschiedenen Varianten der ersten reflektierenden
Einrichtung 4, die in Fig. 6 als Spiegel ausgeführt ist. Bei
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 werden zur Umlenkung der
polarisierten Lichtbündel in parallele Richtungen zwei
Spiegel 14, 15 verwendet. Bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 8 erfolgt eine Umlenkung des einen polarisierten
Lichtbündels 3 in die Richtung des anderen Lichtbündels 2
mit Hilfe eines Prismas 16, während dazu beim
Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 zwei Prismen 17, 18
verwendet werden. Diese Prismen sind bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 jeweils mit einem
Teilprisma des polarisierenden Strahlenteilers zu einem
Glaskörper vereinigt. Dies hat den Vorteil, daß an den
ansonsten vorhandenen Grenzflächen zwischen dem
Strahlenteiler 1 und den Prismen 17, 18 keine Verluste durch
Reflexionen auftreten können. Außerdem wird bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 Montageaufwand gespart.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 11 bis 13,
welche jeweils drei Ansichten zeigen, liegen das zugeführte
Lichtbündel sowie das gesteuerte Lichtbündel jeweils in
einer Ebene parallel zur Flüssigkristallzelle 6 und zur
zweiten reflektierenden Einrichtung 7. Die beiden aus dem
polarisierten Strahlenteiler austretenden polarisierten
Lichtbündel werden mit Hilfe von Spiegeln 19, 20 in Richtung
auf das elektro-optische Element 6 umgelenkt (Fig. 11).
Dieses erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 mit
Hilfe von zwei Prismen 21, 22. In Fig. 12 ist ferner zur
Flüssigkristallzelle 6, welche in dem Fall einen
ferro-elektrischen Flüssigkristall enthält, der Drehwinkel
von 22,5° zwischen negativer und positiver Spannung
dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 werden
zum Umlenken bei dem polarisierten Lichtbündel 2, 3
Pentaprismen 23, 24 verwendet.
Die Fig. 14 bis 20 zeigen Ausführungsbeispiele für die
zweite reflektierende Einrichtung 7, während die erste
reflektierende Einrichtung 4 und das elektro-optische
Element 6 nicht näher ausgeführt sind. Fig. 14 stellt als
zweite reflektierende Einrichtung einen Spiegel 25 dar,
während die zweite reflektierende Einrichtung bei Fig. 15
von einem hohlen Trippel-Spiegel 26 gebildet wird, der aus
drei Ebenenspiegeln 27, 28, 29 besteht.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 umfaßt zwei solche
Trippel-Spiegel 30, 31, die aus jeweils drei Ebenenspiegeln
32, 33, 34 bzw. 35, 36, 37 bestehen. In Fig. 16 ist außerdem
angedeutet, daß es bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht
unbedingt erforderlich ist, die parallelen polarisierten
Lichtbündel in sich selbst oder in dem jeweils anderen
Lichtbündel zu reflektieren.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 17 enthält einen massiven
Trippel-Spiegel als zweite reflektierende Einrichtung, das
Ausführungsbeispiel nach Fig. 18 zwei massive
Trippel-Spiegel 39, 40.
Fig. 19 zeigt zwei Spiegel 41, 42, die einen Winkel von 90°
einschließen und die parallelen polarisierten Lichtbündel in
das jeweils andere reflektieren. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 20 sind zwei Paar Spiegel 43, 44 vorgesehen, die
aus jeweils zwei Einzelspiegeln 45, 46 bzw. 47, 48 bestehen.
Fig. 21 zeigt ein Beispiel für Maßnahmen, um gleiche
optische Weglängen für die polarisierten Lichtbündel 2, 2',
3, 3' zu erhalten. Die zusätzliche Weglänge 49 des
Lichtbündels 3, 3' wird dadurch ausgeglichen, daß das
Spiegelpaar 44 näher an dem elektro-optischen Element 6
angeordnet ist als das Spiegelpaar 43. Der Unterschied 50
beträgt genau die Weglängendifferenz 49.
Die optischen Weglängen beider Lichtbündel sind bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 22 wegen des symmetrischen
Aufbaus gleich. Als zweite reflektierende Einrichtung wird
ein 90°-Prisma 51 verwendet. Bei ansonst gleichem Aufbau
umfaßt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 23 zwei 90°-Prismen
52, 53 als zweite reflektierende Einrichtung.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 24 enthält als erste
reflektierende Einrichtung ein Prisma 16, wobei sich
wiederum eine Weglängendifferenz 54 zwischen den beiden
polarisierten Lichtbündeln ergibt. Diese wird durch einen
Versatz 55 der als zweite reflektierende Einrichtung
dienenden Prismen 52, 53 ausgeglichen.
Im Falle der Anordnung nach Fig. 25 sind als zweite
reflektierende Einrichtung zwei Pentaprismen 56, 57
vorgesehen bei symmetrischen Aufbau der gesamten Anordnung.
Dabei kann die in Fig. 25 lediglich schematisch dargestellte
erste reflektierende Einrichtung 4 beispielsweise von zwei
Spiegeln und Prismen gebildet werden entsprechend den
Ausführungsbeispielen nach den Fig. 7, 9 oder 10.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 26 sind als zweite
reflektierende Einrichtung 7 zwei Dachkantprismen 58, 59
vorgesehen, die der Anschaulichkeit halber ein zweites Mal
in einer anderen Ansicht dargestellt sind. Das
Ausführungsbeispiel nach Fig. 27 enthält zwei
Dachkantspiegelsysteme 60, 61, die jeweils aus zwei
Einzelspiegeln 62, 63 bzw. 64, 65 bestehen.
Fig. 28 ist eine dreidimensionale Darstellung eines
Ausführungsbeispiels in Form einer Explosionszeichnung. Als
erste reflektierende Einrichtung dient ein Prisma 16 als
zweite ein Spiegel 25. Der Winkel α ist der Winkel zwischen
der langsamen Achse 8' des Flüssigkristalls 9 und der
s-Polarisation des Bündels 2. Der Winkel β ist der Winkel
zwischen der schnellen Achse 10' der Verzögerungsplatte 10
(auf einer Lambda/4-Platte) und der s-Polarisation des
Lichtbündels 2.
Bei dem ansonsten entsprechend Fig. 28 aufgebauten
Ausführungsbeispiel nach Fig. 29 ist als zweite
reflektierende Einrichtung ein Trippelspiegel 38 vorgesehen.
Dadurch werden die reflektierten parallel verlaufenden
polarisierten Lichtbündel gegenüber den nicht reflektierten
vertauscht, so daß sich insgesamt für beide Lichtbündel der
gleiche optische Weg ergibt. Dieses gilt auch für das
Ausführungsbeispiel nach Fig. 30, bei welchem als zweite
reflektierende Einrichtung ein 90°-Prisma 51 angeordnet ist.
Fig. 31 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem 90°-Prisma
16 als erste reflektierende Einrichtung, einer
Flüssigkristallzelle und einer Lambda/4-Platte 10 als
elektro-optisches Element 6. Ferner ist ein 90°-Prisma 51
als zweite reflektierende Einrichtung vorgesehen. Fig. 31a
stellt die Anordnung im Aus-Zustand bzw. geschlossen dar,
während Fig. 31b die Einrichtung im Ein-Zustand bzw. offen
zeigt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 31 enthält eine nematische
Flüssigkristallzelle mit positiver dielektrischer
Anisotropie. n ist der nematische Direktor, der der
schaltbaren optischen Achse 8' entspricht. Die Lichtbündel
2" und 3" haben bei diesem Winkel eine Polarisation von 45°
bzw. -45°. In der Lambda/4-Platte 10 wird diese lineare
Polarisation in eine rechts- bzw. linksdrehende
Zirkular-Polarisation umgewandelt, die nach der Reflexion im
Prisma 51 einen anderen Drehsinn erhält.
Bei dem nochmaligen Durchtritt durch die Lambda/4-Platte 10
entsteht wieder eine lineare Polarisation im Falle des
Lichtbündels 2''' von -45°, im Falle des Lichtbündels 3''' von
+45°. Diese Polarisation wird bei dem nochmaligen
Durchlaufen der Flüssigkristallzelle um 45° gedreht, so daß
das Lichtbündel 2' in der Zeichenebene polarisiert ist,
während das Lichtbündel 3' senkrecht zur Zeichenebene
polarisiert ist. In dieser Polarisation wird das Lichtbündel
2" gerade durch den polarisierenden Strahlenteiler 1
hindurchgelassen, während das Lichtbündel 3" nach der
Umlenkung im Prisma 16 im polarisierenden Strahlenteiler 1
reflektiert wird und durch die Eintrittsfläche 1a austritt.
Damit tritt kein Licht durch die Austrittsfläche 1b auf, so
daß im beschriebenen spannungslosen Fall gemäß Fig. 31a der
Schalter geschlossen ist. Durch entsprechende Weiterleitung
des Lichtes auch von der Eintrittsfläche 1a bzw.
entsprechende Anordnung von Sensoren kann die Anordnung nach
Fig. 31 auch als Umschalter oder im Falle eines allmählichen
Überganges als Überblender verwendet werden.
Bei dem in Fig. 31b dargestellten Fall ist die
Flüssigkristallzelle 8 mit einer Spannung beaufschlagt, so
daß der nematische Flüssigkristall in den homeotropen
Zustand überführt ist. Das unpolarisierte Licht an der
Eintrittsfläche 1a wird zur Austrittsfläche 1b übertragen.
Der Direktor 8' des nematischen Flüssigkristalls 9 ist
senkrecht zur Fläche der Elektroden.
Fig. 32 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer
ferro-elektrischen Flüssigkristallzelle 8 mit einer Dicke
der Flüssigkristallschicht, die einen optischen
Gangunterschied von (3/8)lambda im Sperrzustand gemäß Fig.
32a bewirkt. Das Prisma 16 wird als erste reflektierende
Einrichtung verwendet, ein 90°-Prisma 51 als zweite
reflektierende Einrichtung. Zum Schalten vom Aus-Zustand in
den Ein-Zustand wird die Spannung an den Elektroden 9', 9"
umgepolt. Im Aus-Zustand (closed) sind die aus der
Flüssigkristallzelle 8 austretenden Lichtbündel 2" und 3"
elliptisch polarisiert. Durch die Reflexion im Prisma 51
werden der Drehsinn und der Winkel der Achsen der Ellipse
geändert. Beim Aus-Zustand gemäß Fig. 32b erfolgt keine
Drehung der Polarisation durch die Flüssigkristallzelle 8.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 33 enthält eine
ferro-elektrische Flüssigkristallzelle, deren
Flüssigkristallschicht 9 eine derartige Dicke d aufweist,
daß der optische Gangunterschied lambda/2 beträgt. Außerdem
wird eine Lambda/4-Platte 10 benutzt. Im Durchlaßzustand
gemäß Fig. 33a ist die langsame Achse 8' wie die
Polarisationsebene des Lichtbündels 3 ausgerichtet. Im
Sperrzustand gemäß Fig. 33b ist die langsame Achse 8' um
22,5° von der Polarisationsebene des Lichtbündels 3
versetzt. Das Prisma 16 und das Prisma 51 werden wie bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 32 als erste und zweite
reflektierende Einrichtung eingesetzt.
Fig. 34 zeigt die Temperatur des induzierten Neigewinkels ±Θ
für das elektrokline Material FLC-392. Die Dicke der
Flüssigkristallzelle beträgt 1,6 µm, die Steuerspannung ±10 V
von der Temperatur T in °C. Fig. 35 gibt die
Modulationstiefe einer Anordnung nach den Fig. 30 und 33
in Abhängigkeit von der Steuerspannung V wieder. Der Messung
liegt eine Flüssigkristallzelle mit einem elektroklinen
Flüssigkristall und einer Lambda/4-Platte zugrunde.
Durch die Art des Flüssigkristalls und dessen Ansteuerung,
durch die Dicke des Flüssigkristalls, durch die Anordnung
einer Verzögerungsplatte und weiterer optischer
Voraussetzungen bei einer erfindungsgemäßen Anordnung
ergeben sich sehr viele verschiedene
Kombinationsmöglichkeiten. Einige davon sind im folgenden
beschrieben.
Wird beispielsweise im nematischen Flüssigkristall die
Umwandlung von planar auf homeotrop vorgenommen, so ist eine
Nutzung für binäre Schaltvorgänge (ein/aus) gegeben. Für
diesen Fall fällt die Orientierung der langsamen Achse 8'
mit dem Direktor der langen molekularen Achse zusammen. Sie
soll unter 45° zu den Polarisationsrichtungen des
polarisierenden Strahlenteilers stehen. Dabei soll die Dicke
d der Flüssigkristallschicht die Bedingung
δn . d = lambda/4 + N . lambda erfüllen, wobei N = 0, ±1, ±2, ±3
... ist. Dabei ist δn die Doppelbrechung der Schicht
(δn = nL - nS), wobei nL der Brechungsindex des
Flüssigkristalls in der langsamen Achse und nS in der
schnellen Achse ist. Ohne elektrisches Feld ist der Schalter
im Aus-Zustand. Mit elektrischem Feld wird der
Flüssigkristall homeotrop und das Licht tritt an der Fläche
1b aus (Ein-Zustand). Beispiele für solche Anordnungen
zeigen die Fig. 15 bis 18 und 29.
Bei den Bauformen nach den Fig. 19 bis 27 sind die
Eigenschaften des Flüssigkristalls anders als in den
vorhergehenden Feldern. Zum einen ist die Dicke d der
Flüssigkristallzelle derart, daß sich eine Verzögerung
δn . d = (3/8)lambda + N . lambda ergibt. Außerdem wird der
Direktor der Schicht von 22,5° auf -22,5° im elektrischen
Feld bezüglich der p-Polarisationsebene umgeschaltet. Ohne
elektrisches Feld ist die Anordnung ausgeschaltet. Mit
elektrischem Feld tritt eine homeotrope Orientierung ein,
die Anordnung ist eingeschaltet.
Flüssigkristallzellen unter Verwendung des S-Effektes in
nematischen Flüssigkristallen können für Schalter hoher
Apertur und mit Schaltzeiten in der Größenordnung von ms,
das heißt, in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis 100 Hz,
vorzugsweise mit einer Lambda/4-Platte, eingesetzt werden.
Der SSFLC-Effekt (surface stabilized ferroelectric liquid
crystals) kann für zwei verschiedene Kippwinkel in chiralen
smektischen und ferro-elektrischen Phasen des
Flüssigkristalls eingesetzt werden. Das FLC-Material kann
mit dem Kippwinkel 22,5° in den Ausführungsformen nach den
Fig. 14 bis 18 ohne Verzögerungsplatte eingesetzt werden.
Die Dicke d des Flüssigkristalls soll für beide Polaritäten
der angelegten Spannung die Bedingung
δn . d = lambda/4 + N . lambda erfüllen. Die Orientierung der
Normalen der smektischen Lagen (Reibrichtung) soll einen
Winkel von +22,5° oder -22,5° mit der Polarisationsrichtung
des s- bzw. des p-Lichtbündels 2, 3 einschließen. Für die
eine Feldpolung tritt aus der Austrittsfläche Licht aus, für
die andere Feldpolung nicht. Für die Ausführungsbeispiele in
den Fig. 14, 28 hat die Polarität ein umgekehrtes
Vorzeichen im Vergleich zu den Fig. 15 bis 18 und 29.
Für die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 19 bis 27, 30,
32 und 33 sind die optischen Eigenschaften des
Flüssigkristalls anders als im vorher beschriebenen Fall.
Die FLC-Lagen sollen eine Verzögerung von
(3/8)lambda + N . lambda haben. Der Wert des Schaltwinkels
beträgt nur 11,25°. Die Normale zur smektischen Lage des
FLC-Materials soll den Winkel +11,25° oder -11,25° oder
+33,75° oder -33,75° zur p-Polarisationsrichtung des
Lichtbündels 3 haben. Derartige Anordnungen können für
Schaltzeiten zwischen 10 µs und 20 µs und Spannung zwischen
20 V und 30 V verwendet werden.
Der elektrokline Effekt und der DHF-Effekt (deformed helix
ferroelectrics) werden in erfindungsgemäßen Anordnungen zur
optischen Modulation mit Zwischenwerten eingesetzt. Für die
Ausführungsbeispiele nach den Fig. 14 bis 18, 28 und 29
soll die Orientierung der Normalen der smektischen Lagen
einen Winkel von +45° oder -45° mit der s- bzw. der
p-Polarisationsebene bilden. Die Dicke der
Flüssigkristallschicht soll die Verzögerung
lambda/4 + N . lambda erlauben. Die von der Fläche 1a zur Fläche
1b des polarisierenden Strahlenteilers durchgelassene
Lichtintensität variiert kontinuierlich von 0% bis 100%,
wenn der elektrisch induzierte Kippwinkel der langsamen
Achse der Indikatrix zwischen 0° und 45° variiert. Für den
Fall, daß der DHF-Effekt verwendet wird, beträgt die
notwendige Achskippung ±22,5°, was mit wenigen Volt
Steuerspannung erreicht werden kann. Die Schaltzeit beträgt
dabei etwa 100 µs. Geeignete Flüssigkristallzellen sind
beispielsweise beschrieben in: L. A. Beresnev et al:
"Deformed helical ferroelectric liquid crystal display: a
new electro-optical mode in ferroelectric liquid crystals",
Liquid Crystals Vol. 5, p. 1171-1179 (1989) und in L. A.
Beresnev et al. "Ferro-elektrische Flüssigkristallanzeige",
Schweizerisches Patent 3722/87.
In den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 19 bis 27,
30, 32 und 33 beträgt der Kippwinkel der langsamen Achse 8'
im elektrischen Feld nur 11,25°. Dazu wird sehr schnelles
elektroklines Material mit Schaltzeiten von wenigen µs
verwendet, wie es beispielsweise durch US-Patent 4,838,663
bekanntgeworden ist. Diese Ausführungsbeispiele erlauben
eine kontinuierliche Modulation von unpolarisiertem Licht
zwischen 0% und 100% bei einer Steuerspannung im Bereich von
±30 V. Dabei wird das FLC-Material als Flüssigkristall
eingesetzt, beispielsweise in den Ausführungsbeispielen
gemäß den Fig. 34 und 35.
Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Anordnung umfaßt eine
ferro-elektrische Flüssigkristallzelle und eine
Lambda/4-Platte, die beispielsweise in den Fig. 4, 28 bis
30, 32 und 33 dargestellt ist. Dabei gibt es eine Fülle von
Möglichkeiten, die Orientierung der langsamen Achse 8' der
Flüssigkristallschicht 8 und der schnellen Achse 10' der
Verzögerungsplatte 10 um den Aus- und den Ein-Zustand der
Anordnung zu verwirklichen. Dies ist in Fig. 33 dargestellt.
Beim Ein-Zustand sind die Polarisationsrichtungen der
Lichtbündel 2, 3 parallel bzw. senkrecht zur langsamen Achse
des Flüssigkristalls und der Verzögerungsplatte 10
orientiert. Dadurch wird das Licht weder in der
Flüssigkristallzelle noch in der Verzögerungsplatte in
seinem Polarisationszustand verändert. Die zweite
reflektierende Einrichtung 7 verändert den
Polarisationszustand ebenfalls nicht, so daß das Licht
beider Polarisationsrichtungen ungehindert die
Austrittsfläche 1b des polarisierenden Strahlenteilers 1
erreicht.
Im Aus-Zustand kippt der Direktor (Indikatrix-Orientierung)
des Flüssigkristalls 9 durch die Wirkung des elektrischen
Feldes um 22,5°. Da die Verzögerung im Flüssigkristall
gleich lambda/2 ist, dreht die Flüssigkristallzelle die
Polarisationsrichtung um 2 . 22,5° = 45%. Nach der
Lambda/4-Platte 10 erhält man zirkular polarisiertes Licht,
das durch die zweite reflektierende Einrichtung 7 zirkular
polarisiert reflektiert wird, wobei der Drehsinn umgekehrt
ist. Nach dem zweiten Durchgang durch die Lambda/4-Platte 10
erhält man im Lichtbündel 2''' bzw. 3''' linear polarisiertes
Licht, das orthogonal zum Licht der Lichtbündel 2" und 3"
nach dem ersten Durchgang durch die Flüssigkristallzelle
polarisiert ist (-45°). Diese Lichtbündel werden beim
zweiten Durchgang durch die Flüssigkristallzelle um
2 . (45° + 22,5°) = (90° + 45°) gedreht und erreichen somit die
jeweils orthogonale Orientierung 2', 3' der Polarisation.
Der polarisierende Strahlenteiler 1 führt die Lichtbündel in
der Fläche 1b zusammen.
In den Fällen des elektroklinen Effektes und des
DHF-Effektes kann die elektrisch kontrollierte
Durchlässigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung zwischen den
Flächen 1a und 1b des polarisierenden Strahlenteilers 1 für
unpolarisiertes Licht zwischen den Werten 0% und fast 100%
kontinuierlich verändert werden. Als Anwendung kommen
schnelle optische Begrenzer oder die schnelle automatische
Steuerung von Lichtintensitäten in Frage. Dabei können sich
Lichtdetektoren am Ausgang der Anordnung befinden, die durch
elektrische Rückkoppelung auf die Elektroden der
Flüssigkristallzelle Steuerfunktionen ausüben. Anwendungen
sind beispielsweise beschrieben in EP
0 335 056 A1 sowie in M. Eve et al. "New automatic-gain-control
system optical receivers", Electronics Letter 15, p. 146-147
(1979).
Die elektrisch verstellbaren Kippwinkel lassen sich bei der
erfindungsgemäßen Anordnung halbieren, wenn zwei
Flüssigkristallzellen hintereinander angeordnet werden. Beim
elektroklinen Effekt benötigt man dann den extrem kleinen
Kippwinkel von ±5,625°, um das Licht bei Schaltzeiten von
1 µs und Arbeitsspannungen von ±10 V durchzuschalten.
Schnelle elektrokline Flüssigkristallmaterialien mit
Schaltzeiten von 1 µs und darunter in niedrigen
Arbeitsspannungen bestehen aus Gemischen einer lamellaren
Matrix, beispielsweise einer smektischen A- oder C-Phase und
chiralen Dotiermolekülen mit einem Neigungswinkel Om und
sind beispielsweise aus DE 196 24 769 A1 bekannt. Versuche
haben gezeigt, daß sich Zeitkonstanten von 100 ns bei
Steuerspannungen von 10 V bis 20 V bei Zimmertemperaturen
erreichen lassen.
Claims (47)
1. Anordnung zur elektrischen Steuerung der Intensität von
unpolarisiertem Licht, wobei ein polarisierender
Strahlenteiler (1) über eine Eintrittsfläche (1a) derart mit
dem zu steuernden Licht beaufschlagt ist, daß es in zwei
orthogonal zueinander polarisierte Lichtbündel (2, 3)
aufgespalten wird, dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß eine erste reflektierende Einrichtung (4) zur Reflexion mindestens eines der polarisierten Lichtbündel (2, 3) ausgebildet ist, so daß beide polarisierten Lichtbündel (2, 3) parallel verlaufen,
- 2. daß im Weg der parallel verlaufenden polarisierten Lichtbündel (2, 3) mindestens ein elektro-optisches Element (6), das die Polarisation in Abhängigkeit von einer zugeführten Steuerspannung verändert, und eine zweite reflektierende Einrichtung (7) zur Reflexion der Lichtbündel in die Gegenrichtung (2', 3') derart angeordnet sind, daß die Lichtbündel zweimal durch das mindestens eine elektro-optische Element (6) hindurchtreten und durch die erste reflektierende Einrichtung (4) auf den polarisierenden Strahlenteiler (1) gerichtet werden, und
- 3. daß mindestens einer Austrittsfläche (1b) des polarisierenden Strahlenteilers (1) das gesteuerte Licht entnehmbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektro-optische Element (6) und die zweite
reflektierende Einrichtung (7) getrennte Bauelemente sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das mindestens eine elektro-optische Element (6) eine
Flüssigkristallzelle (8) ist mit einer
Flüssigkristallschicht (9) zwischen transparenten Elektroden
(9', 9"), denen die Steuerspannung zuführbar ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektro-optische Element eine Flüssigkristallzelle ist
mit einer Flüssigkristallschicht zwischen einer
transparenten und einer reflektierenden Elektrode, welche
die zweite reflektierende Einrichtung bildet, und daß den
Elektroden die Steuerspannung zuführbar ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Weg der parallel verlaufenden
polarisierten Lichtbündel (2, 3, 2', 3') ferner eine
Verzögerungsplatte (10) angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verzögerungsplatte (10) eine optische Stärke von einem
Viertel der Wellenlänge des Lichtes oder bei breitbandigem
Licht der Schwerpunktwellenlänge aufweist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektro-optische Elemente
(8, 11) hintereinander im Weg der parallel verlaufenden
polarisierten Lichtbündel angeordnet sind.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste reflektierende
Einrichtung ein Spiegel (13) ist (Fig. 6).
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung ein
hohles Dachkantprisma ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung ein
massives Dachkantprisma ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung aus
zwei Spiegeln (14, 15) besteht (Fig. 7).
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung ein
90°-Prisma (16) ist (Fig. 8).
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung aus
zwei 90°-Prismen (17, 18) besteht (Fig. 9).
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung
gemeinsam mit dem polarisierenden Strahlenteiler aus zwei
Prismen (17', 18') besteht, die durch eine polarisierende
Schicht voneinander getrennt sind (Fig. 10).
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung aus
zwei hohlen Dachspiegeln besteht.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung aus
zwei hohlen Dachkantprismen mit Totalreflexion besteht.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung ein
Pentaprisma ist.
18. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste reflektierende Einrichtung aus zwei Spiegeln (19,
20) besteht, die derart angeordnet sind, daß die parallel
verlaufenden polarisierten Lichtbündel (2, 3) senkrecht zur
Ebene verlaufen, die von dem zu steuernden und von dem
gesteuerten Lichtbündel gebildet ist (Fig. 11).
19. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste reflektierende Einrichtung aus zwei 90°-Prismen
(21, 22) besteht, die derart angeordnet sind, daß die
parallel verlaufenden polarisierten Lichtbündel (2, 3)
senkrecht zur Ebene verlaufen, die von dem zu steuernden und
von dem gesteuerten Lichtbündel gebildet ist (Fig. 12).
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung aus
zwei hohlen Dachkantspiegeln besteht, die derart angeordnet
sind, daß die parallel verlaufenden polarisierten
Lichtbündel senkrecht zur Ebene verlaufen, die von dem zu
steuernden und von dem gesteuerten Lichtbündel gebildet ist.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung aus
zwei hohlen Dachkantprismen mit Totalreflexion besteht, die
derart angeordnet sind, daß die parallel verlaufenden
polarisierten Lichtbündel senkrecht zur Ebene verlaufen, die
von dem zu steuernden und von dem gesteuerten Lichtbündel
gebildet ist.
22. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Einrichtung aus
zwei Pentaprismen (23, 24) besteht, die derart angeordnet
sind, daß die parallel verlaufenden polarisierten
Lichtbündel (2, 3) senkrecht zur Ebene verlaufen, die von
dem zu steuernden und von dem gesteuerten Lichtbündel
gebildet ist (Fig. 13).
23. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
der polarisierende Strahlenteiler und die 90°-Prismen eine
Baueinheit bilden.
24. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
ein Spiegel (25) ist (Fig. 14).
25. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
aus drei Spiegeln (27, 28, 29) besteht, die in Form einer
hohlen Würfelecke angeordnet sind (Retroreflektor) (26)
(Fig. 15).
26. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
aus sechs Spiegeln besteht, die zwei hohle Retroreflektoren
(30, 31) bilden (Fig. 16).
27. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
ein Retroreflektor (38) aus einem massiven Prisma ist
(Fig. 17).
28. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
aus zwei Würfeleckenprismen (39, 40) besteht (Fig. 18).
29. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
aus zwei Spiegeln (41, 42) besteht, die einen Winkel von 90°
bilden (Fig. 19).
30. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
aus zwei Paaren (43, 44) von Spiegeln (45, 46; 47, 48)
besteht, wobei jeweils ein Paar (43, 44) einen Winkel von
90° bildet (Fig. 20).
31. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
ein 90°-Prisma (51) ist (Fig. 22).
32. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
aus zwei Prismen (52, 53) besteht (Fig. 23, 24).
33. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
aus zwei Pentaprismen (56, 57) besteht (Fig. 25).
34. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
aus zwei Dachkantprismen (58, 59) besteht (Fig. 26).
35. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Einrichtung
aus Spiegeln besteht, die zwei hohle Dachkantreflektoren
(60, 61) bilden (Fig. 27).
36. Anordnung nach einem der Ansprüche 8, 9, 11, 15, 18,
20, 24, 25, 26, 29, 30 oder 35, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spiegel dielektrische Spiegel sind.
37. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine
Flüssigkristallzelle (8) einen nematischen Flüssigkristall
enthält.
38. Anordnung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß
der nematische Flüssigkristall (9) eine positive
dielektrische Anisotropie besitzt und im elektrischen Feld
in an sich bekannter Weise in eine homeotrope Orientierung
übergeht.
39. Anordnung nach einem der Ansprüche 37 oder 38, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke d des Flüssigkristalls (9)
ohne Beaufschlagung durch ein elektrisches Feld die
Bedingung δn . d = lambda/4 + N . lambda bezüglich seiner
Phasenverzögerung erfüllt, wobei N eine ganze Zahl und δn
die Doppelbrechung des Flüssigkristalls ist.
40. Anordnung nach einem der Ansprüche 37 oder 38, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke d des Flüssigkristalls (9) die
Bedingung δn . d = 3/8 . lambda + N . lambda erfüllt.
41. Anordnung nach einem der Ansprüche 37 oder 38, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke d des Flüssigkristalls (9) die
Bedingung δn . d = lambda/2 + N . lambda erfüllt.
42. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens eine Flüssigkristallzelle
(8) einen ferro-elektrischen Flüssigkristall (9) enthält.
43. Anordnung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke d des ferro-elektrischen Flüssigkristalls (9) die
Bedingung δn . d = lambda/4 + N . lambda erfüllt.
44. Anordnung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke d des ferro-elektrischen Flüssigkristalls (9) die
Bedingung δn . d = (3/8)lambda + (N . lambda) erfüllt.
45. Anordnung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke d des ferro-elektrischen Flüssigkristalls (9) die
Bedingung δn . d = (lambda/2) + (N . lambda) erfüllt.
46. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste reflektierende
Einrichtung (4, 16), das elektro-optische Element und die
zweite reflektierende Einrichtung (7, 51) derart angeordnet
sind, daß Licht, das invers zu dem der Austrittsfläche (1b)
entnehmbaren Licht gesteuert ist, an der Eintrittsfläche
(1a) versetzt zu dem zu steuernden Licht austritt (Fig. 31
bis 33).
47. Verfahren zur elektrischen Steuerung der Intensität von
unpolarisiertem Licht, wobei ein polarisierender
Strahlenteiler (1) über eine Eintrittsfläche (1a) derart mit
dem zu steuernden Licht beaufschlagt ist, daß es in zwei
orthogonal zueinander polarisierte Lichtbündel (2, 3)
aufgespalten wird, dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß eine erste reflektierende Einrichtung (4) zur Reflexion mindestens eines der polarisierten Lichtbündel (2, 3) ausgebildet ist, so daß beide polarisierten Lichtbündel (2, 3) parallel verlaufen,
- 2. daß im Weg der parallel verlaufenden polarisierten Lichtbündel (2, 3) mindestens ein elektro-optisches Element (6) angeordnet ist, das von beiden Lichtbündeln durchstrahlt wird und die Polarisation der Lichtbündel in Abhängigkeit von einer zugeführten Steuerspannung verändert,
- 3. daß eine zweite reflektierende Einrichtung (7) die beiden Lichtbündel nach dem Verlassen des elektro-optischen Elementes (6) in sich oder parallel versetzt in ihrer Richtung umkehrt und erneut auf das elektro-optische Element (6) wirft,
- 4. daß die Polarisation der beiden Lichtbündel im elektro-optischen Element (6) erneut verändert wird, so daß die Summe der Veränderungen der Polarisation der beiden Lichtbündel beim Durchgang durch das erste reflektierende Element (4), dem anschließenden Durchgang durch das elektro-optische Element (6), der anschließenden Reflexion am zweiten reflektierenden Element (7), dem zweiten Durchgang durch das elektro-optische Element (6) und endlich dem zweiten Durchgang durch das erste reflektierende Element (4) in umgekehrter Richtung eine Gesamtveränderung der Polarisation der beiden Lichtbündel erzeugt, die je nach Steuerspannung am elektro-optischen Element das Licht der beiden Lichtbündel am polarisierenden Strahlenteiler (1) entweder in die Eintrittsfläche (1a) führt (dies entspricht einem jeweils unveränderten Polarisationszustand) oder zur Austrittsfläche (1b) führt (dies entspricht dem jeweils orthogonalen Polarisationszustand).
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997131135 DE19731135C2 (de) | 1997-07-19 | 1997-07-19 | Anordnung und Verfahren zur elektrischen Steuerung der Intensität von unpolarisiertem Licht |
AT98947300T ATE253233T1 (de) | 1997-07-19 | 1998-07-15 | Anordnung zur elektrischen steuerung der intensität von unpolarisiertem licht |
US09/463,108 US6331910B1 (en) | 1997-07-19 | 1998-07-15 | Arrangement and method for electrically controlling the intensity of unpolarized light |
EP98947300A EP0998691B1 (de) | 1997-07-19 | 1998-07-15 | Anordnung zur elektrischen steuerung der intensität von unpolarisiertem licht |
PCT/DE1998/002017 WO1999004310A2 (de) | 1997-07-19 | 1998-07-15 | Anordnung und verfahren zur elektrischen steuerung der intensität von unpolarisiertem licht |
DE59810036T DE59810036D1 (de) | 1997-07-19 | 1998-07-15 | Anordnung zur elektrischen steuerung der intensität von unpolarisiertem licht |
CA002297108A CA2297108C (en) | 1997-07-19 | 1998-07-15 | Arrangement and method for electrically controlling the intensity of unpolarised light |
JP2000503464A JP2001510907A (ja) | 1997-07-19 | 1998-07-15 | 非偏光強度の電気的制御のための装置及び方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997131135 DE19731135C2 (de) | 1997-07-19 | 1997-07-19 | Anordnung und Verfahren zur elektrischen Steuerung der Intensität von unpolarisiertem Licht |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19731135A1 DE19731135A1 (de) | 1999-02-11 |
DE19731135C2 true DE19731135C2 (de) | 1999-06-02 |
Family
ID=7836315
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1997131135 Expired - Fee Related DE19731135C2 (de) | 1997-07-19 | 1997-07-19 | Anordnung und Verfahren zur elektrischen Steuerung der Intensität von unpolarisiertem Licht |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19731135C2 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10125779A1 (de) * | 2001-05-26 | 2003-01-02 | Deutsche Telekom Ag | Verfahren und Vorrichtung zur intensitätsabhängigen Abschwächung von Licht |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2506748B2 (de) * | 1974-02-18 | 1977-01-13 | Northern Electric Co., Ltd., Montreal, Quebec (Kanada) | Optischer modulator |
-
1997
- 1997-07-19 DE DE1997131135 patent/DE19731135C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2506748B2 (de) * | 1974-02-18 | 1977-01-13 | Northern Electric Co., Ltd., Montreal, Quebec (Kanada) | Optischer modulator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19731135A1 (de) | 1999-02-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE4000451B4 (de) | Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement | |
DE69714665T2 (de) | Flüssigkristallvorrichtungen | |
DE4042747B4 (de) | Elektrooptisches Flüssigkristallschaltelement | |
DE69128553T2 (de) | Optische Modulationsvorrichtung und Anzeigegerät | |
DE69628544T2 (de) | Flüssigkristall-lichtverschluss | |
EP0514857B1 (de) | Optischer Schalter | |
DE60127115T2 (de) | Bistabile reflexionsanzeigevorrichtung mit umgewandeltem kontrast | |
DE69630101T2 (de) | Polarisationselement | |
DE69432654T2 (de) | Flüssigkristall-Anzeige und -vorrichtung | |
DE69027415T2 (de) | Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung | |
DE2855841A1 (de) | Optische fokussiereinrichtung mit variabler brennweite | |
EP0998691B1 (de) | Anordnung zur elektrischen steuerung der intensität von unpolarisiertem licht | |
DE102014226973B4 (de) | Optische Resonatoranordnung und Verfahren zum Einstellen einer Umlaufzeit in einem Resonator | |
DE3325414A1 (de) | Fluessigkristall-vorrichtung | |
DE69430970T2 (de) | Flüssigkristall-Lichtmodulationsvorrichtung | |
DE69124928T2 (de) | Optische Modulationsvorrichtung | |
DE3617947C2 (de) | ||
DE69925221T2 (de) | Reflektives ferroelektrisches Flüssigkristalllichtventil mit hoherem Lichtdurchsatz | |
DE19731135C2 (de) | Anordnung und Verfahren zur elektrischen Steuerung der Intensität von unpolarisiertem Licht | |
DE2757327A1 (de) | Elektrooptische anzeigeeinrichtung | |
DE3302332C2 (de) | ||
EP0848281A1 (de) | Ferroelektrische Flüssigkristallzelle | |
DE2450390B2 (de) | Lichtsteuereinrichtung mit einer fluessigkristallzelle | |
DE4434921A1 (de) | Achromatisches Phasenverzögerungselement und Verfahren zu seiner Herstellung | |
DE2160044B2 (de) | Akustisch-optische filtervorrichtung |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20150203 |