DE2014179B2 - Optischer Verschluß - Google Patents

Description

löst, daß die Dicken der beiden Platten so gewählt wirkenden mechanischen Belastung und der dadurch

sind, daß die gesamte Verzögerung R der in den erzeugten Polarisation,

Platten gebildeten beiden Lichtkooponenten relativ Fig. 3b eine Hystereseschleife zwischen der auf

zueinander für eine in der Mitte des sichtbaren den unregelmäßigen ferroelektrischen Kristall ein-

Spektrums gelegene Wellenlänge bei der einen 5 wirkenden mechanischen Belastung und der darin

Richtung der elektrischen Polarisation in der Platte erzeugten mechanischen Spannung,

mit Z-Schmtt den Wert Ä=0 πΐμ und bei der um- Fig. 4 das Prinzip der Arbeitsweise des optischen

gekehrten elektrischen Polarisationsrichtung der Verschlusses

Platte mit Z-Schnitt einen Wert F i g. 5 a und 5 b schematisch ein Ausführungsbei-

80 πιμ ^ R < 320 mu ¹⁰ spiel des erfindungsgemäßen Verschlusses,

j ' Fig. 6 eine Hystereseschleife zwischen der Kristallachse und der Raumachse,

Α>3000πΐμ Fig. 7a, 7b und 7c Darstellungen der Wellen-

ajjjjjjjjjQt längenempfindlichkeit des Analysators,

15 Fig. 8a, 8b und 8c sowie Fig. 9 Darstellungen

Ein optischer Verschluß dieser Art hat also zwei des Ubertragungsverhaltens des Verschlusses in

in einem Strahlengang angeordnete, gekreuzte PoIa- Offenstellung,

risatoren, mindestens eine Platte aus einem ferro- Fig. 10 eine CIE-Farbkarte, aus der die Verzögeelektrischen Kristall, der ferroelektrische-ferro- rungÄ der doppelbrechenden Kristallplatte ersichtelastische Eigenschaften hat, in Reihenschaltung mit ao Hch ist, die sich zwischen den gekreuzten Polarisamindestens einer Platte aus einem doppelbrechenden toren befindet,

Kristall, wobei beide Platten zwischen den beiden F i g. 11 eine schematische Ansicht eines anderen

gekreuzten Polarisatoren so angeordnet sind, daß die Ausführungsbeispiels,

kristallographischen c-Achsen der Kristallplatten Fig. 12 das Übertragungsspektnim einer Polari-

senkrecht aufeinander stehen, und wobei eine Span- as sationseinheit mit einer Verzögerung R=276 πΐμ,

nung, die mindestens gleich dem Betrag des Koerzitiv- Fig. 13 eine schematische Ansicht eines anderen

felds der ferroelektrischen-ferroelastischen Kristall- Ausführungsbeispiels und

platte, oder eine mechanische Belastung, die min- Fig. 14a und 14b ein weiteres Ausführungsbei-

destens gleich dem Betrag der Koerzitivbelastung des spiel der Erfindung.

gleichen Kristalls ist, auf die ferroelektrische-ferro- 30 Jahrelange Forschungen der Erfinder haben geelastische Kristallplatte einwirkt, um dadurch eine _zei_gt, daß bestimmte ferroelektrische Materialien, Ebene durch zwei optische Achsen der ferroelek- _wi_e Kaliumhydrogenphosphat (im folgenden »KDP« trischen-ferroelastischen Kristallplatte um 90° zu genannt) oder Gadoliniummolybdat (im folgenden drehen, so daß eine Verschlußwirkung auf vom »GMO« genannt), andere Eigenschaften als die beoptischen Verschluß durchgelassenes natürliches 35 kannten ferroelektrischen Materialien, wie Triglycin-Licht ausgeübt wird. _sul_fati Bleizirkonat-Titanat, Bariumtitanat usw., zei-

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß gen. Das heißt, wenn ein elektrisches Feld oder eine bestimmte ferroelektrische Materialien die Richtung Belastung einwirkt, das bzw. die einen für das beihrer spontanen Polarisierung umkehren, wenn ein stimmte Material spezifischen Schwellenwert überFeld, das größer als der Betrag eines für das 40 schreitet (im folgenden »Koerzitivfeld« oder »Ko-Material spezifischen Schwellenfeldes (im folgenden erzitivbelastung« genannt), wird die Richtung seiner »Koerzitivfeld« genannt) ist, oder eine mechanische spontanen Polarisation 1 um 180° herumgeklappt, Belastung, die den Betrag einer für das Material _Um einen Übergang vom Zustand α in den Zustand b spezifischen Belastung (im folgenden »Koerzitiv- oder vom Zustand b in den Zustand α gemäß F i g. 1 belastung« genannt) überschreitet, auf das Material 45 vorzunehmen, je nachdem, ob die ursprüngliche einwirkt, und daß die auf der kristallographischen Richtung der spontanen Polarisation positiv oder a- und fc-Achse des Materials erzeugte mechanische negativ ist (nach unten oder oben in Fig. 1 ge-Gitterspannung einer 90°-Drehung des Materials um richtet ist).

dessen kristallographische c-Achse entspricht, was £_s j_{st aucn} festgestellt worden, daß das Kristalleiner Speicherung gleichkommt. 50 gitter deformiert wird, wenn dieses Umklappen statt-

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher findet, und daß diese Deformation einer 90°-Drehung

erläutert. Es zeigen des Materials um dessen kristallographische c-Achse

Fig. la und 1 b eine isometrische Ansicht zur Er- entspricht. Die Erfinder haben also entdeckt, daß

läuterung der Korrelation zwischen der spontanen derartige Materialien, deren spontane Polarisation

Polarisation und der spontanen mechanischen Span- 55 durch Einwirkung eines Felds oder eine Belastung

nung, die in einem unregelmäßigen ferroelektrischen umgekehrt werden kann und die eine Kristalldefor-

Kristall erzeugt werden, der beim erfindungsgemäßen mation zeigen können, zu bestimmten Punkt- oder

optischen Verschluß verwendet wird, Raumgruppen ferroelektrischer Materialien gehören.

F i g. 2 a eine Hystereseschleife zwischen dem am Ferroelektrische Materialien, die derartige Eigenunregelmäßigen ferroelektrischen Kristall angelegten 60 schäften haben, werden im folgenden als unregel-

elektrischen Feld und der dadurch erzeugten Polari- mäßige ferroelektrische Materialien oder Kristalle

sierung, bezeichnet. Genauer gesagt, eine derartige Eigen-

F i g. 2 b eine Hystereseschleife zwischen dem schaft wird von gewissen Materialien gezeigt, die zu

elektrischen Feld, das am unregelmäßigen ferro- den Raumgruppen mm 2, 2-1 und 2-11 gehören. Diese elektrischen Kristall angelegt ist, und der darin er- 65 Materialien werden in Raumgruppen imm2, i 2-1 und

zeugten mechanischen Spannung, i 2-11 klassifiziert, wobei i unregelmäßige Ferro-

Fig. 3a eine Hystereseschleife zwischen der auf elektrika, m die Spiegelsymmetrie bei F-Operation,

den unregelmäßigen ferroelektrischen Kristall ein- 2-1 ein Material mit einem Kristallgitter, das eine

zweifache Symmetrieachse hat und dessen 90°- Drehung um diese Achse ermöglicht, daß das Kristallgitter sich mit dem ursprünglichen Kristallgitter dieses Materials deckt, und 2-H ein Material mit einem Kristallgitter bedeutet, das eine zweifache Symmetrieachse hat und dessen 180°-Drehung um diese Achse ermöglicht, daß das Kristallgitter sich mit dem ursprünglichen Kristallgitter deckt. Zu den Materialien imm 2, i 2-1 und i 2-11 gehören auch unregelmäßige ferroelektrische Materialien, die zu diesen Raumgruppen gehören.

Alle die vorstehend genannten unregelmäßigen ferroelektrischen Materialien zeigen eine Hystereseschleife wie in F i g. 2 a zwischen einem angelegten Feld E und der dadurch erzeugten Polarisation P, eine Hystereseschleife wie in F i g. 2 b zwischen einem angelegten Feld E und der dadurch erzeugten mechanischen Spannung X, eine Hystereseschleife wie in F i g. 3 a zwischen einer mechanischen Belastung und der dadurch erzeugten Polarisation P und eine Hystereseschleife wie in Fig. 3b zwischen einer mechanischen Belastung und der dadurch entstehenden mechanischen Spannung. Bei diesen Kurven bezeichnen E_n X₁, P_s und X_s das Koerzitivfeld, die Koerzitivbelastung, die spontane Polarisation bzw. die spontane mechanische Spannung. Wie aus diesen Kurven ersichtlich ist, haben die obenerwähnten unregelmäßigen ferroelektrischen Materialien sowohl eine ferroelektrische Eigenschaft als auch eine Eigenschaft, die ferroelastisch genannt werden kann. Hierzu gehören die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Materialien.

Punktgruppe

Name des Materials

imm2 KDP, GMO, Borazit

i 2-11 Kalium-Natrium-Tartrat

Ammonium-Cadmium-Sulfat
Ammonium-Aluminiüm-Methylsulfat-l,2-hydrid

Alle derartigen Kristalle zeigen eine optische zweiachsige Doppelbrechung für die ferroelektrische Phase und haben unterschiedliche Brechungsindizes n_a, nß und n_y für Lichtschwingungen parallel zu den Achsen X, Y und Z des Kristalls. Zum Beispiel für einen GMO-Einkristall, der zur Raumgruppe mm 2 gehört, gilt «„=1,8428, «„=1,8432 und ^=1,897 bei Raumtemperatur und λ = 589,3. Daraus ist ersichtlich, daß ein Kristall, der zu der Raumgruppe mm 2 gehört, eine Doppelbrechung wie ein zweiachsiger Kristall zeigt.

Es sei angenommen, daß ein derartiger GMO-Kristall einen Z-Schnitt (d. h., die Endflächen des Kristalls sind senkrecht zur kristallographischen c-Achse geschnitten) aufweist und zwischen einem Polarisator 2 und einem Analysator 3 angeordnet ist, deren Schwmgungsebenen parallel zueinander verlaufen, so daß die Z-Achse des Kristalls senkrecht τα den Polarisationsebenen des Polarisators und des Analysators verläuft, wie in F i g. 4 gezeigt ist. Wenn natürliches Licht in den Polarisator 2 senkrecht zu diesem eintritt, wird das natürliche Licht in linear polarisiertes Licht durch den Polarisator 2 und weiter in zirkulär polarisiertes Licht durch die Doppelbrechung der Kristallplatte 5 umgewandelt. Nur die Komponente des zirkulär polarisierten Lichts, die gleich der Polarisationsebene des Analysators 3 ist, kann durch den Analysator 3 durchtreten, so daß eine Interferenzfarbe infolge ihrer Verzögerung hinsichtlich des Lichts verschiedener Wellenlängen beobachtet werden kann, die das natürliche Licht bilden.

Es soll jetzt angenommen werden, daß einer dieser unregelmäßigen ferroelektrischen Kristalle, der die

ίο mm2-Symmetrie hat, in einen Würfel geschnitten ist, dessen Kanten durch die Kristallachsen des Kristalls gebildet sind und dessen Flächen als glatte optische Ebenen poliert sind, daß eine transparente Elektrode sich an der Z-Fläche des Kristalls befindet (d. h. der

Fläche, die senkrecht zur Z-Achse des Kristalls geschnitten ist) und daß dieser Kristall in einer Diagonalstellung (etwas geneigt) zwischen zwei gekreuzten Nicols angeordnet ist. Wenn natürliches Licht auf ein derartiges System fällt, treten Interferenzfarben infolge der Doppelbrechung in Abhängigkeit von der Kristalldicke auf. Das ist durch die vom Kristall hervorgerufene Phasendifferenz oder Verzögerung R zwischen den Lichtstrahlen bedingt, und diese Verzögerung hängt ab in an sich bekannter Weise von der Dicke d de? Kristalls, durch den sich das Licht ausbreitet, sowie der Differenz Δη zwischen den Brechungsindizes der Doppelbrechung:

R = d-An

In einem unregelmäßigen ferroelektrischen Material sind wie oben beschrieben die kristallographische a- und ö-Achse durch spontane Polarisationsumkehr untereinander vertauscht, was seinerseits zu einer Änderung sowohl in der Dicke d als auch in der Brechungsindexdifferenz Δη für das Licht führt. Wenn /?( + ) und R(—) die Verzögerung für Licht bedeuten, das in Richtungen senkrecht zu den Polarisationsachsen entsprechend positiver und negativer Polarisation einfällt, z. B. in X- und F-Richtung

(derartige Verzögerungen werden als Transversaleffekt bezeichnet), dann ergeben sich folgende Gleichungen:

R(+) = d_x-(ny-nß) R( —) = d_y · (ny — nix)

Da normalerweise
d_r-d.

und

nß —
ny

^ = 0,01-^0,001

= 1 -τ- 0,1

beträgt, führt die Polarisationsumkehr zu einer Änderung in der Interferenzfarbe, die durch die Doppelbrechung hervorgerufen wird. Auf diese Weise kann ein Element erhalten werden, das leuchtende Farben untereinander entsprechend der Dicke

variieren kann.

Für den Fall des vorhergehend beschriebenen GMO-Einkristalls ergibt sich:

_:l,5-

d_x+d_s

Hy

Λ -Ji?

Das bedeutet einen Nachteil des GMO-Einkristalls, indem dessen Farbvariationsbereich zu schmal ist, um eine Farbvariation durch Anwendung der Verzögerungsvariation hervorzurufen, die nur durch die Variation in der Doppelbrechung eines Transversaleffekts erzeugt ist, der durch Polarisationsumkehr verursacht ist.

Die Erfindung gibt ein System an, das sich von dem oben beschriebenen unterscheidet, indem die Po'^risationsrichtung mit der Richtung des durchgelassenen Lichts übereinstimmt.

Erfindungsgemäß werden also sowohl die Länge des Lichtwegs d als auch die Doppelbrechung \n$ — n_a\ unveränderlich durch die Polarisationsumkehr gemacht, wobei L. as Vorzeichen der Doppelbrechung geändert wird, und demgemäß tritt eine Anzahl von besonderen Phänomenen in dem doppelgebrochenen Licht auf, das durch ein derartiges Element verläuft. Derartige Effekte und die ihnen zugrunde liegende Theorie sollen jetzt beschrieben werden:

Das Anlegen eines elektrischen Felds, das das Koerzitivfeld übertrifft, an die Z-Schnitt-GMO-Kristallplatte 5 bewirkt die Umkehr von deren spontaner Polarisation, was ihrerseits eine Drehung um 90° der Ebene durch zwei optische Achsen des unregelmäßigen ferroelektrisch en Kristalls veranlaßt, so daß die Drehrichtung des zirkulär polarisierten Lichts, das durch die Verzögerung zwischen den doppelgebrochenen Lichtstrahlen, die durch den Kristall durchgelassen werden, umgekehrt wird. Daher ist die Verzögerung R in diesem Fall gleich der mit umgekehrtem Vorzeichen.

Wenn ein doppelbrechender transparenter Kristall 6 und ein unregelmäßiger ferroelektrischer Z-Schnitt-Kristall 5 wie ein Z-Schnitt-GMO-Kristall in einem Polarisationssystem angeordnet werden, das einen Polarisator 2 und einen Analysator 3 aufweist, deren Flächen sich parallel gegenüberliegen, und zwar so, daß die Z-Schnitt-Fläche des Z-Schnitt-Kristalls 5 senkrecht zur optischen Achse des Polarisationssystems liegt und die Hauptachsen der beiden Kristalle in dieser Richtung verlaufen, wie in Fig. 4 zu sehen ist, dann ist der Wert der resultierenden Verzögerung gleich der Summe oder der Differenz zwischen den Verzögerungen R₁ und R₂ in Abhängigkeit von der Richtung der Ebene durch zwei optische Achsen des GMO-Kristalls.

Auch wenn zwei Z-Schnitt-Einkristalle, die zur Raumgruppe imm2 gehören und Verzögerungen R₁ bzw. R₂ haben, und ein doppelbrechender Kristall mit einer Verzögerung R₀ so angeordnet werden, daß deren Z-Schniti-Flächen senkrecht zum einfallenden linear polarisierten Licht verlaufen, während die anderen beiden Achsen untereinander fluchten, und wenn ein elektrisches Feld an den beiden Einkristallen angelegt wird, die zu der Raumgruppe imm2 gehören, um geeignet ihre spontane Polarisation umzukehren, dann wird eine Summation oder Subtraktion zwischen den Verzögerungen R₀, R₁ und R₂ vorgenommen, die durch die einzelnen * Kristalle bedingt sind. Eine Summation findet statt, wenn die Kristallpolarisation nicht umgekehrt wird, während, wenn die Polarisation durch ein an den GMO-Einkristall angelegtes Feld umgekehrt wird, eine Subtraktion auftritt, so daß die resultierende Verzögerung der beiden zweiachsigen Kristalle durch R₁-R₂ dargestellt wird. Auf diese Weise werden die Interferenzfarben, die durch die verschiedenen Wellenlängen

des auf das Polarisationssystem fallenden natürlichen Lichts bedingt sind, für A₁-^iR₂ und R₁-R₂ variiert. Es ist ferner möglich, eine Kombination von einer oder mehreren doppelbrechenden Kristallplatten und einer oder mehreren unregelmäßigen ferroelektrischen Kristallplatten, die zur Raumgruppe imm 2 gehören, zwischen dem Polarisator und dem Analysator anzuordnen, so daß ein elektrisches Feld an den unregelmäßigen ferroelektrischen Kristall angelegt

ίο wird, um dessen spontane Polarisation umzukehren und so eine Art optischen Verschluß zu bilden.

Die Verschlußfunktion für natürliches Licht wird durch eine solche Wahl der Dicke der entsprechenden Kristalle bewirkt, daß di- resultierende Verzögerung der doppelgebrochenen Lichtstrahlen, die vom doppelbrechenden Kristall und dem unregelmäßigen ferroelektrischen Kristall durchgelassen werden, sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet.

Der oben beschriebene Verschluß eimöglicht, daß die Menge des durch eine dünne Platte aus einem farblosen transparenten Kristall durchtretenden Lichts leicht durch eine elektrische Spannung steuerbar ist, was folgende Vorteile hat:

1. Elektrisch steuerbare Anordnung;
2. keine äußere Kraft ist erforderlich, um die Schließstellung aufrechtzuerhalten;

3. sehr kurze Ansprechzeit, die größenordnungsmäßig 10~³ see beträgt;

4. einfacher Aufbau der Vorrichtung, so daß der Platzbedarf verringert werden kann;

5. hohe Stoßfestigkeit 'ind

6. sehr große Lebensdauer bei leichter Wartung der Einrichtung.

Der Erfindungsgegenstand hat also eine große wirtschaftliche Bedeutung, da er gut als Verschluß in einer photoelektrischen Kamera anwendbar ist, ferner als automatisch betriebener Verschluß in einer Fernsehtelefonkamera oder als ein digitale Verteilungen

oder Muster erzeugendes Element zur Speicherung von Information im optischen Speicher eines Elektronenrechners durch Verwendung von Laserholographie oder ähnlicher Verfahren.
Es werden jetzt verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Gemäß Fig. 5 umfaßt der optische Verschluß einen Polarisator 2, dessen Schwingungsebene sich auf der y-Achse befindet, einen Analysator 3, dessen Schwingungsebene sich auf der x-Achse befindet, eine erste unregelmäßig ferroelektrische doppelbrechende Kristallplatte 5, deren optische Achsen X und Y sich um 90° um die Z-Achse drehen können, und eine zweite doppelbrechende Kristallplatte 6. wobei beide Kristallplatten sich zwischen dem PoIarisator 2 und dem Analysator 3 befinden. Während F i g. 5 eine Kristallplatte S und eine Kristallplatte ί zeigt, kann die Anzahl dieser Kristallplatten in Wirklichkeit größer sein. Die Anordnung ist so getroffen, daß durch Einwirkung einer elektrischen Spannung

oder einer mechanischen Belastung auf die erste Kristallplatte 5 bewirkt wird, daß dieser Kristall seine Ebene durch zwei optische Achsen dreht, nämlich um 90° um die Z-Achse, und daß sich die Resultierende R der Verzögerungen, die von der ersten und zweiten Kristallplatte bestimmt sind, zwischen einem Zustand I (R=G) und einem Zustand Π (BQ^R ^320] oder zwischen dem Zustand I und dem Zustand ID (2000 <S R) verschieben kann.

409 546/15C

F i g. 6 zeigt die Beziehung zwischen den optischen linear polarisiertes Licht kann beschrieben werden Achsen X, Y und Z und den Raumachsen x, y, ζ durch:

der Kristalle, wobei die Achsen Z und ζ mit der _ _ 2πί

Richtung des Lichtwegs zusammenfallen, während y~^Asm~ZT w

die Achsen X und Y im Uhrzeigersinn um einen s
Winkel 0 gegen die Achsen χ bzw. y geneigt sind. Wenn die Dicke der Kristallplatte mit d und die

Bei der oben beschriebenen Anordnung breitet sich Differenz zwischen den beiden unterschiedlichen das linear polarisierte Licht, das vom Polarisator 2 Brechungsindizes des doppelgebrochenen Lichts für abgegeben wird, durch die erste und zweite doppel- die Wellenlänge λ mit ^-K₁ bezeichnet wird, erhält brechende Kristallplatte 5 und 6 so aus, daß es in io man für die Phasenverzögerung δ für Licht der WeI-zirkular polarisiertes Licht umgeformt wird. Genauer lenlänge λ:

gesagt, der Zustand I, d. h. R = 0, tritt in der Schließ- _ 2jid(n₂ — Jt₁)

stellung des Verschlusses auf, so daß das linear pola- ° τ ν²)

risierte Licht vom Polarisator bleibt, wie es ist, und

damit vom Analysator 3 aufgehalten wird. Anderer- 15 Die Komponenten χ und y der Elongationen des seits, in der Offenstellung des Verschlusses oder dem zirkulär polarisierten Lichts sind dann nach Durch-Zustand II, d. h 80 ^ R _\ 320 πΐμ, oder im Zu- laufen der Kristallplatte 5 folgendermaßen gegeben: stand ΠΙ, d. h. 2000 πΐμ ^ R, ist linear polarisiertes

Licht vorhanden, dessen größere Komponente durch _{A =} ^² sin² 2 0 sin²— (3)

den Analysator 3 durchgeht, so daß das meiste Licht ao ^x 2

durch den Analysator 3 durchgelassen wird, uui eine
Verschlußwirkung zu erzielen. A, = A' (cos²2 0+sin²2 0cos²-\

Es soll jetzt erläuter* werden, wie die Verschluß- \ 2/

wirkung erzielt wird, wenn das linear polarisierte

Licht, das vom Polarisator! abgegeben wird, durch 25 _ ^²11 — sin² 2 0 sin² —! (4)

die doppelbrechende Kristallplatte 5 in zirkulär y 2/

polarisiertes Licht umgewandelt wird.

Als Beispiel soll Licht mit der Wellenlänge λ be- Der durch das zirkulär polarisierte Licht gebildete

trachtet werden. Das vom Polarisator 2 abgegebene Kreis stellt sich dar als:

x² ₊ f

A² sin² 2 0 sin -^ Ä* cos² 2 0 + sin² 2 0 cos² —

sin| j/c

xy=sm²d (5)

/*2sin²20sin— /cos* 2 0+sin² 2 0 cos² — 2 |/ 2

Wenn die durch den Analysator 3 durchtretende natürliches Licht zu schaffen, müssen die gleichen

Lichtmenge auf Null oder einen bestimmten Wert Bedingungen wie oben erfüllt werden, d. h.

eingestellt werden soll, wird auf diese Weise ein _{(a) A φ0 Άτ} beliebige Wellenlänge in der Offenoptischer Verschluß erzielt. 45 stellung des Verschlusses und

Das heißt, wenn es möglich ist, die folgenden Be- ^ ^_{=0 mr be}i_iebi_ge Wellenlänge in der Schließziehungen herzustellen: stellung des Verschlusses.

(a) A φθ für beliebige Wellenlänge in der Offen- _{Es daß} , _{deQ Wellenlä} stellung des Verschlusses und ^^ _des ⁵ _{sichtbaren Lichts beschränkt ist}. _D*_ann

(b) A ==0 fur beliebige Wellenlänge m der Schheß- _{fcann die Bedin (a) durch die Gleiclm (4) er}_ stellung des Verschlusses, _{mt werden> während die} Bedingung (b) nur erfüllt

ist der optische Verschluß für natürliches Licht wirk- werden kann, wenn 2 0=90° ist und sam. δ _ π 3π .

Da δ die einzige Größe ist, die von λ abhängt, wie 55 1 ~ 2"' ~2~"' beliebiges λ).

aus Gleichung (3) ersichtlich ist, kann die Bedingung (b) erfüllt werden, wenn δ unabhängig von der Diese Gleichung ist jedoch gewöhnlich mit der

Wellenlänge gleich Null gemacht werden kann. Die Gleichung (2) für δ nicht verträglich. Bedingung (a) kann ebenfalls erfüllt werden, da λ Für beliebige Wellenlänge bilden parallele Polari-

auf den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts 60 satoren einen Verschluß für natürliches Licht, da

beschränkt ist, so daß folgende Gleichung erfüllbar ist: entweder A_y =0 oder A₃,=A^S möglich ist.

β Der Fall gekreuzter Polarisatoren soll im ϊΒη-

—+0, π, 2 π., .(für beliebiges λ). blick auf die Bedingungen (a) und (b) weiter dis-

2 kutiert werden. In der Bedingung (b) kann die Be-

Das vorhergehende Beispiel betrifft den Fall, daß 65 ziehung, daß A_x=O für beliebige Wellenlänge ist,

gekreuzte Nicols verwendet werden. Es soll jetzt der einfach erreicht werden, indem δ = 0 gesetzt wird,

Fall diskutiert werden, daß parallele Nicols vor- d. h. durch Aufheben der Doppelbrechung. Dies

gesehen sind. Um einen optischen Verschluß für kann z. B. erzielt werden, indem zwei identische

11 12

Kristalle mit ihren optischen Achsen in solchen durchgelassenen Lichts im wesentlichen wie in F i g, 9

Richtungen angeordnet werden, daß ihre Doppel- gezeigt wird.

brechungen sich gegenseitig kompensieren. Hinsicht- Entsprechend ergibt sich, wenn die Zustände I, II

lieh der Bedingung (a) ist es wünschenswert, eine und III definiert werden durch

solche Beziehung zu erhalten, daß A_x φ 0 für belie- 5

bige Wellenlängen ist, jedoch A_x=A' für die Wellen- Zustand I: R = O

länge an einem gegebenen Punkt ist, so daß mögliche Zustand Π: 80^ί?<Ξ320

viel sichtbares Licht durch die gekreuzten Polarisa- Zustand III: 20005SR,

toren durchtreten kann. Wenn der anschließend für ~

den Verschluß verwendete Analysator eine flache io für die Verschlußwirkung, daß ein Zustandsübergang

Wellenlängenempfindlichkeitscharakteristik hat, wie entweder vom Zustand I zum Zustand II oder III

in Fig. 7a gezeigt ist, kann eine Wellenlänge X_max, oder umgekehrt stattfinden kann, d. h., entweder

die A_x = A² ergibt, als die mittlere Wellenlänge X_n, von rechts nach links oder von links nach rechts.

des sichtbaren Lichts eingestellt werden, um auf diese . .... , . ...

Weise die Durchlässigkeit von F i g. 7 a zu gewinnen. 15 Ausfuhrungsbeispiel 1

Wenn die Wellenlängenempfindlichkeit des Analy- Gemäß Fig. 11 sind eine erste und zweite doppel-

sators so beschaffen ist, daß sie ein Maximum für brechende Z-Schnitt-GMO-Einkristallplatte S und 6

eine bestimmte Wellenlänge A₀ wie in Fig. 7b er- diagonal zwischen einem Polarisator 2 und einem

reicht und ferner A_?>A_m ist, wird der Analysator so Analysator 3 angeordnet.

eingestellt, daß er die Durchlässigkeit gemäß F i g. 8 b ao Die beiden Polarisatoren sind zueinander gekreuzt.

für A_mox <A_m zeigt. Für die Empfindlichkeit gemäß Die beiden Z-Schnitt-Einkristallplatten 5 und 6 haben

Fig. 7c wird der Analysator so eingestellt, daß er eine Dicke von 330 μ. Wenn die Einkristallplatten 5

die Durchlässigkeit von Fig. 8c aufweist, wobei und 6 mit ihren Achsen X und Y gegeneinander um

Am_0x=A₆ISt. 90° versetzt sind, d.h. so angeordnet sind, daß die

Zusätzlich zu den Aasführungsbeispielen der »5 Achsen X und Y der Kristallplatte 5 mit den Achsen Y Durchlässigkeit mit einem einzigen Maximum in der und X der anderen Kristallplatte 6 zusammenfallen, Offenstellung des Verschlusses gemäß Fig. 8a, 8b ist die durch diese Kristallplatten 5 und 6 hervor- und 8c kann auch eine Durchlässigkeit vorgesehen gerufene Verzögerung R=R₁-R₂=O (/R₁=R₂), sein, die mehrere Maxima wie in F i g. 9 hat, um da sie die gleiche Dicke haben, so daß nur von den durchgelassenes Licht zu erhalten, das ungefähr 30 gekreuzten Polarisatoren stammendes Streulicht vorgleich natürlichem Licht ist. handen ist.

Das soll jetzt an Hand einer CIE-Farbtonkarte Wenn die Achsen X und Y der Kristallplatte S beschrieben werden. Die durch den Kristall hervor- durch ein elektrisches Feld (von etwa 150 V) vergerufene Phasenverzögerung erechnet sich zu tauscht werden, sind die Achsen X und Y beider

35 Kristallplatten in der gleichen Richtung angeordnet,

_R _ 2π „ __w . so daß sich ihre Verzögerungen summieren, d. h.

λ ² * ' R=R_t+R_z.

mit d als der Dicke der Kristallplatte 5 und n₈—Ti₁ Wenn Z-Schnitt-GMO-Einkristallplatten eine Dicke

als der Doppelbrechung für die Wellenlänge A. Wenn 40 von 330 μ haben, ergibt sich

die Dicke d der Kristallplatte 5 geändert wird, ändert ^ _^ =138 _m„

sich auch R. Fig. 10 zeigt eine CIE-Farbtonkarte, * ²

aus der ersichtlich ist, wie sich die Farbe für ver- und damit als durch die Polarisatoreinheit durchschiedene Verzögerungswerte ändert. In der Karte gelassenes Spektrum für ί? = 275πΐμ das in Fig. 12 bedeuten die rechtwinkligen Koordinaten χ und yx 45 abgebildete. Bei einer Durchlässigkeit von 100 %> für und y der drei Hauptfarben, während eine äußere A = 550 πΐμ beträgt für A = 400 τημ bis 760 πΐμ die Kurve c (in Vollinie) den geometrischen Ort bildet, Energiedurchlässigkeit insgesamt 92 °/o.
der durch eine Anzahl von Punkten gebildet wird, die Wenn zwei im Handel erhältliche Polarisatoren die Spektralfarben zeigen, und die hufeisenförmige verwendet werden, ergibt sich experimentell als VerFläche, die durch diesen geometrischen Ort und eine 50 hältnis von nicht durchgelassener zu durchgelassenei gerade Strichpunktlinie AB begrenzt wird (entspre- Lichtmenge 1:1000, d. h. 60 dB, was ein Verhältnis chend reinem Violett), verschiedene tatsächliche von 1 :920 für die obigen Kristallplatten 5 und 6 Farben. Die in Fig. 10 angegebenen Zahlenwerte bedeutet. Das gewährleistet ein praktisch ausreichenbezeichnen die verschiedenen Werte von R. Der des Dämpfungsverhältnis.

Farbton einer Lichtquelle mit einem sichtbaren 55 Die Kristallplatte 5 kann irgendeine Platte sein, die

Spektrum (d.h. einer natürlichen Lichtquelle) liegt eine Verzögerung von 138 πΐμ bewerkstelligt, nämlicl

auf den Koordinaten für eine Wellenlänge entsprechend der mittlerer

_x _ 0 33 ν = 0 33 Wellenlänge natürlichen Lichts, so daß z. B. Quan

' '^γ ' geeignet ist

Von diesem Punkt nimmt zum Umfang der huf- 60 Wenn eine X-Schnitt- oder Y-Schnitt-Quarzplatti

eisenförmigen Kurve der Grad der Farbmischung ab, verwendet wird, beträgt deren Dicke 16 μ. Die Quarz

um reine Farben zu erreichen, die durch die einzelnen platte wird in Diagonalstellung angeordnet

Spektren gebildet sind. Aus Fig. 10 ist ersichtlich, . „., . . . . „

daß für R=O kein Licht übertragen wird, während Ausfuhrungsbaspiel 2

für den Bereich R = 80 — 320 im wesentlichen weißes 65 Gemäß Fig. 13 sind vier Kristallplatten S, 6, '

Licht vorhanden ist Wenn R größer als 2000 wird, und 8 zwischen dem Polarisator 2 und dem Analy

ist wieder im wesentlichen weißes Licht vorhanden. sator 3 angeordnet

Das ist damit zu erklären, daß das Spektrum des Die Kristallplatte 5 ist ein Z-Schnitt-GMO-Kristal

13 14

mit einer Dicke von 330 μ. Die optische Achse Y der einheit zu bilden, die jedoch zusätzlich mit einer

Kristallplatte 5 ist im Uhrzeigersinn um einen Win- Druckbelasningseinrichtung gemäß Fig. 14a und

kel Θ gegen die Schwingungsebene des Polarisator^ 2 14b versehen ist,

geneigt. Die Kristallplatte 6 kann aus beliebigem Die Druckbelastungseinrichtung von Fig. 14a Material mit einer Verzögerung von 138 ΐημ be- 5 und 14b dient zum Beaufschlagen der doppelstehen, aber deren optische Achsen müssen genau brechenden Kristallplatten. Die Druckbelastungsmit denen der Kristallplatte 5 zusammenfallen. Daher einrichtung umfaßt ein Element 9 mit senkrecht zu wird Licht mit einer Wellenlänge von λ = 550 πΐμ den Achsen X und Y der Kristallplatte und parallel durch den Satz der Kristallplatten S und 6 durch- zur Z-Achse des Kristalls verlaufenden Flächen, eine gelassen und dabei um 2 Θ relativ zur Schwingungs- io Z-Schnitt-Scheibe 10, Halter 11 und Druckbelastungsebene des Polarisators 2 gedreht Die Kristallplatte 7 elemente 12 und 13 mit Vorspriingen 14 und 15, die besteht aus einem Z-Schnitt-GMO-Kristall und ist mit vonFührungen 16 gehalten sind. DieDruckbelastungsihrer optischen Achse Y um einen Winkel α im einrichtung ist so aufgebaut, daß der auf die Vor-Gegenuhrzeigersinn gegen die Schwingungsebene des Sprünge 14 und 15 der Druckbelastungselemente 12 Polarisators 2 geneigt. 15 und 13 ausgeübte Druck senkrecht zu der X- und

Die Kristallplatte 8 kann aus beliebigem Material Y-Achse der Kristallplatten einwirkt,
mit einer Verzögerung von 138 ηΐμ bestehen, z. B. Wenn einer der Vorsprünge 14 und 15 der Druckaus einer Z-Schnitr-GMO-Platte mit einer Dicke von belastungselemente 12 und 13, z. B. der Vorsprung 330 μ. Die optischeu Achsen der Kristallplatte 8 sind 15, druckbelastet wird, um auf die Kristallplatte entgenau zu denen der Kristallplatte 7 ausgerichtet. Da- 20 lang deren Y-Achse zu drücken, wird der Kristall her wird Licht mit einer Wellenlänge λ — 550 πΐμ zusammengedrückt, so daß seine kristallographische durch den Satz der Kristallplatten 7 und 8 durch- Y-Achse zur Z-Achse wird, was eine 90''-Drehung gelassen und dabei um einen weiteren Winkel 2 <* der optischen Achse bedeutet. Wenn jedoch die gedreht. Insgesamt wird also das Licht um einen kristallographische Y-Achse in die Ä'-Achse umge-Winkel von (2 0+2 α) relativ zur Schwingungsebene 35 wandelt worden ist, erzeugt ein noch höherer auf des Polarisators 2 gedreht. Wenn also Θ+ <x=45° ist, die Kristallplatte ausgeübter Druck keine weitere wird Licht mit einer Wellenlänge von 550 ηΐμ in Änderung.

linear polarisiertes Licht umgewandelt, dessen PoIa- Auf diese Weise nimmt die kristallographische

risationsebene um 90° gedreht und zu 100% vom Y-Achse eine Stellung ein, die um 90° gegen die

Analysator 3 durchgelassen wird. 30 Z-Achse gedreht ist. Diese Stellung stimmt mit der

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß Richtung überein, in der der Vorsprung 14 des

die Sätze der Kristallplatten 5, 6 und 7, 8 zu einem anderen Druckbelastungselements 13 gedrückt wird,

Block zusammengefaßt werden können, um β+α=45° und daher wird, wenn der Vorsprung 15 des Druck-

zu ergeben, so daß die Orientierung des Blocks und belastungselemenls 15 wieder gedrückt wird, die

die des Polarisators beliebig oft auf geeignete Winkel 35 Ebene der optischen Achse des Kristalls wieder um

eingestellt werden können. 90° zur Z-Achse gedreht, um in ihre Ausgangsstel-

In der Praxis können dreartige Einstellungen der lung zurückzukehren.

Orientierungen auf bestimmte Winkel vorgenommen Durch abwechselndes Drücken der gekreuzten werden, die für den Durchtritt einer möglichst großen Druckbelastungselemente in der obigen Weise kann Lichtmenge geeignet sind, nachdem der Zusammen- 40 die optische Achse um 90° gedreht und in ihre Ausbau beendet worden ist. gangstellung zurückgebracht werden. Die Polarisa-Wenn der Verschluß geschlossen werden soll, wird tionseinheit von Fig. 11 oder 13, die mit derartigen eine elektrische Spannung an die GMO-Kristallpiat- Elementen versehen ist, bildet einen Verschluß für ten 5 und 7 angelegt, um die optischen Achsen X natürliches Licht, der Licht bei Ausübung von und Y um 90° zu drehen und damit eine Null- 45 Druckbelastung nicht durchlassen oder durchlassen verzögerung in den entsprechenden Sätzen der Kri- kann.

stallplatten 5, 6 und 7, 3 hervorzurufen, so daß ge- Zwar ist das obige Ausführungsbeispiel für den kreuzte Polarisationen des Polarisators 2 und des Fall beschrieben worden, daß die Kristallplatte aus Analysators 3 entstehen und damit kein Licht durch- GMO besteht, um das Prinzip des erfindungsgemäßen gelassen wird. 50 optischen Verschlusses zu erklären, es können jedoch Zur einfacheren Erläuterung sind die beiden vor- auch andere Materialien mit Ferroelastizität verwenstehenden Ausführungsbeispiele nur für den Fall be- det werden. Außer GMO und isomorphen Materiaschrieben worden, daß eine elektrische Spannung zur lien ist es beispielsweise möglich, Kaliumhydrogen-Verschlußsteuerung angelegt wird. Zur Verschluß- phosphat (KDP), Borazit od. dgl. zu verwenden, wosteuerung kann jedoch auch eine mechanische Be- 55 bei allerdings die folgenden Bedingungen eingehalten lastung ausgeübt werden, wie für das folgende Aus- werden müssen. KDP kann nur verwendet werden, führungsbeispiel erklärt werden soll. nachdem es z. B. in flüssigen Stickstoff eingetaucht A„cfv„,„„cK»v„· 1 -j ^ist> ^{da es auf einer} Temperatur von -150° C oder Ausfuhrungsbeispiel 3 niedriger sein muß. Borazit od. dgl. muß in einer Wie in F i g. 11 und 13 werden Z-Schnitt-GMO- 60 Dicke von etwa V10 der Dicke von GMO hergestellt Einkristallplatten 5, 6 bzw. 7, 8 mit jeweils einer werden, z. B. 34 μ, da der Wert seiner Doppel-Dicke von 330 μ verwendet, um eine Polarisations- brechung etwa zehnmal größer als der von GMO ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 elektrisches Signal betätigt wird, was zu größerei Patentansprüche; Abmessungen der Mechanik führt. Eine EE-(electric-eye-)Kamera verwendet eii

1. Optischer, die Farbe des Lichts nicht ver- System, bei dem durch Druckausübung der Ver ändernder Verschluß für natürliches Licht mit 5 schluß ausgelöst wird, weshalb es oft zu Betriebs zwei gekreuzten Polarisatoren, mindestens einer störungen kommt.

optischen Platte mit Z-Schnitt aus einem unregel- Es> ist auch bereits bekannt, den Kerr-Effekt aus

mäßigen ferroelektrischen Einkristall und min- zunutzen, indem eine erforderliche Spannung ai destens einer Platte aus einem doppelbrechenden Nitrobenzol oder ähnliches Material angelegt wird Material, die zwischen den gekreuzten Polarisa- io so daß durch dieses Material durchlaufendes Lichi toren liegen, und mit einer Einrichtung zur Um- einer verschlußartigen Beeinflussung unterzoger kehrung der elektrischen Polarisation der opti- werden kann. Die Verwendung des Kerr-Effekts hai sehen Platte mit Z-Schnitt, dadurch gekenn- jedoch den Nachteil, daß die Offenstellung eines zeichnet, daß die Dicken der beiden Platten (S, 6) derartigen Verschlusses nur bei angelegter Spannung so gewählt sind, daß die gesamte Verzögerung R 15 aufrechterhalten werden kann,
der in den Platten gebildeten beiden Lichtkom- Es ist auch schon ein optischer Verschluß vor-

ponenten relativ zueinander für eine in der Mitte geschlagen worden (Patentanmeldung P 1 916025), des sichtbaren Spektrums gelegene Wellenlänge bei dem zwischen zwei Polarisatoren eine unregelbei der einen Richtung der elektrischen Polarisa- mäßige ferroelektrische Kristallplatte mit zwei zution in der Platte mit Z-Schnitt den Wert R =0 πΐμ ao einander parallelen Hauptebenen und mit Z-geschnit- und bei der umgekehrten elektrischen Polarisa- tenen Ebenen vorgesehen ist, die mit einer Spantionsrichtung der Platte mit Z-Schnitt einen Wert nungsquelle zur Anlegung einer Schwellenwertspannung verbunden ist, welche den elektrischen

80 πΐμ ^ R < 320 πΐμ Polarisationszustand des Kristalls in der c-Achse des

oder ^a5 Kristalls umkehren kann. Dabei wird von der Tat

sache Gebrauch gemacht, daß ein unregelmäßiger

R > 2000 ΐημ ferroelektrischer Kristall hinsichtlich des elektrischen

annimmt. Polarisationszustandes Speichereigenschaften besitzt.

Mit anderen Worten, die unregelmäßige ferroelek-

2. Optischer Verschluß nach Anspruch 1, da- 30 trische Kristallplatte kann, wenn sie auf einen elekdurch gekennzeichnet, daß der unregelmäßige frischen Polarisationszustand eingestellt ist, den einferroelektrische Kristall Gadoliniummolybdat ist. gestellten Polarisationszustand ohne jede angelegte

3. Optischer Verschluß nach Anspruch 1 oder 2, Spannung beibehalten, bis die Schwellenwertspannung dadurch gekennzeichnet, daß durch die Einrich- des umgekehrten Vorzeichens eingespeist wird, um tung zur Umkehrung der elektrischen Polarisation 35 die Polarität des elektrischen Polarisationszustandes ein elektrisches Feld an die Platte (5) mit Z-Schnitt umzukehren und ebenso die Doppelbrechung des anlegbar ist, das mindestens gleich dem Betrag unregelmäßigen ferroelektrischen Kristalls zu ändern, des Koerzitivfelds des unregelmäßigen ferroelek- Darüber hinaus hängt die Doppelbrechung von der irischen Kristalls ist. Wellenlänge ab, und daher ist natürliches Licht, das

4. Optischer Verschluß nach Anspruch 1 oder 2, 40 durch die unregelmäßige ferroelektrische Kristalldadurch gekennzeichnet, daß durch die Einrich- platte verläuft, abhängig von der Wellenlänge, ver tung zur Umkehrung der elektrischen Polarisa- schiedenen Verzögerungen unterworfen.

tion eine mechanische Belastung an die Platte (5) Aus diesem Grund kann das bei dem bereits vor-

mit Z-Schnitt entlang der X- und Y-Achse der geschlagenen optischen Verschluß aus dem unregel-

Platte mit Z-Schnitt anlegbar ist, die mindestens 45 mäßigen ferroelektrischen Kristall austretende Licht

gleich der Koerzitivbelastung dieser Platte ist. farbig sein.

Es isv chließlich auch ein optischer Verschluß bekan: , -"A.-Patentschrift 2 705 903), bei dem

zwI-cH- . '3>ei Polarisatoren eine elektrooptische

50 Krisi: ·'. ·;-· und mehrere doppelbrechende Kristallplatten ■■ jigesehen sind, deren Gesamtverzögerung

Die Erfindung betrifft einen optischen, die Farbe i_m Absolutwert gleich und im Vorzeichen umgekehrt des Lichts nicht verändernden Verschluß für natür- zur Verzögerung der elektrooptischen Kristallplatte liches Licht mit zwei gekreuzten Polarisatoren, min- ist. An diesem Verschluß ist jedoch beispielsweise destens einer optischen Platte mit Z-Schnitt aus einem ₅₅ nachteilig, daß bei einer mit der Schwellenwertspanunregelmäßigen ferroelektrischen Einkristall und min- nung versorgten elektrooptischen Kristallplatte und destens einer Platte aus einem doppelbrechenden bei doppelbrechenden Kristallplatten, die insgesamt Material, die zwischen den gekreuzten Polarisatoren die oben beschriebenen Verzögerungsbedingungen liegen, und mit einer Einrichtung zur Umkehrung erfüllen, der achromatische Zustand nicht beibehalten der elektrischen Polarisation der optischen Platte mit 60 wird, wenn die an die elektrooptische Kristallplatte Z-Schnitt. angelegte Spannung entfernt wird.

Es sind bereits folgende Arten von optischen Ver- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung,

Schlüssen bekannt: einen für natürliches weißes oder auch monochroma-

Die Irisblende wird in photographischen Kameras tisches Licht brauchbaren optischen Verschluß der

verwendet. Die Irisblende ist eine Einrichtung zur 65 eingangs genannten Art anzugeben, der bei Betrieb

mechanischen Steuerung des Querschnitts eines mit natürlichem Licht keine Farbänderung desselben

Lichtbundeis. Eine derartige mechanische Steuerung bewirkt,

erfordert eine Einrichtung, die direkt durch ein Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ee-