DE2051487A1

DE2051487A1 - Polarisator nach Art eines Wollaston Doppelprismas

Info

Publication number: DE2051487A1
Application number: DE19702051487
Authority: DE
Inventors: Gerald K Philadelphia Pa Goldberg (V St A ) R G0?b 27 22
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1969-10-23
Filing date: 1970-10-20
Publication date: 1971-05-06
Also published as: DE2051487B2; FR2065481A1; FR2065481B1; US3610730A; GB1329450A

Description

PATENTANWALT

H. F. E LLME R 205U87

FRANKFURT/MAIN
WEBERSTRASSE ·

EM-1741 ρ 115024

SPERRI RAND CORPORATION, New York, N. X./lJSk Polarisator nach Art eines Wollaeton-Doppelprismas

Die bekannten Wollaston-Kristalldoppelprismen bestehen aus zwei Prismen aus einem festen, uniaxialen Material, deren optische Achsen in zwei zueinander orthogonalen Richtungen verlaufen« Wegen dieser Orientierung der optischen Achsen unterscheidet sich der Brechungsindex des Doppelprismas für einen Lichtstrahl oder dessen Komponente, der bzw. die in der einen orthogonalen Richtung polarisiert ist, von dem für einen Lichtstrahl oder dessen Komponente, der bzw. die in der zweiten orthogonalen Richtung polarisiert ist. Aufgrund dieses Unterschiedes kann ein Wollaston-Kristalldoppelprlsma einen einfallenden Lichtstrahl, der In einer der beiden orthogonalen Richtungen polarisiert ist, aus seiner Einfallsrichtung heraus in eine von zwei verschiedenen Richtungen unter einem Winkel ablenken, der durch das uniaxiale Material und den brechenden Winkel der beiden Prismen bestimmt ist.

Wegen des festen Materials dieses Doppelprismas ist der Ablenkwinkel des einfallenden Lichtstrahls gegenüber der Einfallsrichtung auf nur einen Wert in beiden Richtungen festgelegt. Aufgrund der heutigen Technik betragt der erreichbare minimal« Ablenkwinkel gegenüber der Einfallsrichtung etwa 1 Winkelminute, aber dieses Minimum ist nur unter gleichseitigen hohen Kosten erzielbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst billiges Doppelpriama nach Art des Wollaston-Doppelprismas.anzugeben, dessen minimaler Ablenkwinkel jedoch einstellbar ist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgem&fi dadurch gelöst, daß eine kolloidale Suspension» die eine Strömungsdoppelbrechung aufweist, in der einen Richtung durch eine hohle Zelle, die ein Prisma bildet, und in der anderen Richtung durch eine weitere hohle ZeIIe₁ die das andere Prisma darstellt, hindurchtreibbar ist. Die Zellen besitzen eine gemeinsame Grundfläche und sind zumindest teilweise optisch durchsichtig, damit, ein einfallender Lichtstrahl in das Doppelprisma eintreten und es verlassen kann. Wenn die beiden Richtungen etwa zueinander orthogonal sind, besitzt dieses flüssige Doppelprisma die den Lichtstrahl ablenkenden Eigenschaften eines Wollaston-Kristalldoppelprismas.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden naher erläutert. Die Figuren geben die wichtigsten Merkmale der Erfindung wieder. Ss stellen dart

Figur 1 das bekannte Wollaston-Kristalldoppelprisma,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Aueführungsform des flüssigen Doppelprismas der Erfindung,

Figur 3 eine Seitenansicht eines Abschnittes des Doppelprismaa der Figur 2 lange der Linie 3-3 und

Figur 4 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des flüssigen Doppelprismas der Erfindung.

GenAß Figur 1 enthalt ein bekanntes Vollaston-Kristalldoppelprisma 8 swel Prismen 10 und 12 aus einem festen, uniaxialen Material, s. B. Quars, die einen brechenden Winkel 0 von etwa 30° aufweisen und durch eine Schicht Ik aus Glycerin oder Rizinusöl fest miteinander verkittet sind. Das Prisma 10 ist derart orientiert, daß seine optische Achse senkrecht, also parallel aur y-Achse der Zeichenebene

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verläuft, wie durch einen Pfeil innerhalb der Prismenfläche angedeutet ist, während das Prisma 12 so gedreht ist, daß seine optische Achse horizontal, also senkrecht zur Zeichenebene liegt, wie durch einen Punkt angegeben ist. Wenn ein polarisierter Lichtstrahl 16 z. B. ein Laserstrahl auf das Doppelprisma 8 fällt, wird die in vertikaler Richtung polarisierte Komponente (Pfeil) aus der Einfallsrichtung 18 auf eine Bahn abgelenkt, die durch einen Pfeil 20 angegeben ist, während die in horizontaler Richtung (Punkt) polarisierte Komponente des Lichtstrahls auf eine durch einen Pfeil 22 gezeigte Bahn gelenkt wird. Die Bahnen 20 und 22 liegen in derselben Ebene wie die Einfallsrichtung 18.

Wie in den Figuren 2 und 3 zu sehen 1st, weist eine bevorzugte Ausführungsforra eines flüssigen Doppelprismas gemäß der Erfindung eine hohle, prismenartige Zelle 26 mit einer PlUssigkeitseinlaflöffnung 28 und einer Flüssigkeitsauslaßöffnung 30 auf. Um die Turbulenz zu vermindern, ist die öffnung 30 größer als die Öffnung 28 und im MIttelabachnitt einer Wand 29 der Zelle 26 angeordnet. Wände 32 und 34 der Zelle 26 sind mit einer leichten, durchsichtigen Fliehe 36 bzw, 38 versehen. Ein Teil der Fläche 38 bildet eine Wand einer weiteren hohlen, prismenartigen Zelle 40, die ebenfalls eine leichte, durchsichtige Fläche 42 aufweist. Die Wände der Zellen 26 und 40 können aus 1/4 Zoll (6,35 ma) dicken Plexiglas, (einem harten, biegsamen, thermoplastischen, glasartig durchsichtigen, farblosen Kunststoff aus Polynethacrylestern) bestehen, und die Flächen 36, 33 und 42 können aus einem optischen Olas von hoher Qualität hergestellt sein.

Die Zelle 40 besitzt eine FlüseigkeitstinltQöffnung 44, die durch einen Schlauch 46 aus einem üblichen Material mit der Flüeeigkeitsauslaßöffnung 30 der Zelle 26 verbunden let, und eine Flüssigkeiten auslaßöffnung 48, die koaxial zur Einlaßöffnung 44 angeordnet und mit der Flüssigkeitseinlaßöffnung 28 der Zelle 26 durch Schläuche 50 und 52 in Verbindung steht, die an einer Üblichen Pumpe 54

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zusammengeschlossen sind, die eine feste Pumpgeschwindigkeit besitzt. Die Pumpe 54 treibt eine kollodiale Suspension 56 durch die Zellen 26 und 40 und die Schläuche 50 und 52 (in der Richtung der Pfeile nach Figur 2) und wird in einem Becken 58 gesammelt. Die Durchflüßgeschwindigkeit der Suspension 56 kann z, B. sswischen 5 cnr/sec und 50 cnr/sec liegen.

Als kolloidale Suspension 56 kann jede Suspension mit langgestreckten Teilchen verwendet werden, die aufgrund der Strömungsdoppelbre· chung eine optische Anisotropie aufweist. Unter einer "Strömungsdoppelbre chung" versteht man, daß die langgestreckten Teilchen der Suspension sich mit ihrer langen Abmessung längs der Strömungslinien ausrichten* Sie kann z. B. eine wäßrige Suspension aus "Milling Tellow NGSⁿ, einem handelsüblichen Farbstoff der "National Aniline Division*¹ in der "Allied Chemical and Dye Corporation¹¹ mit einer Dichte von etwa 0,013 g/car Wasser in Form von im wesentlichen länglichrunden Teilchen sein, deren größere Achse etwa 1 ρ mißt. Das wäßrige "Milling Tellow NQS" von der gewünschten Dichte kann durch Mischen von etwa 1 cnr trocknen Pulver» "Milling Yellow NQS" mit etwa 8 cnr Wasser und durch anschließendes Erwärmen der Mischung bis nahe an den Siedepunkt des Wassers bereitet werden, um das trockene Pulver vollständig zu dissoziieren und alles überschüssige Wasser au verdampfen. Nach der Dissociation fällt der Farbstoff beim Abkühlen auf die Raumtemperatur nicht mehr aus. Andere wäßrige kolloidale Suspensionen mit einer Strömungsdoppelbrechung, a, B. Vanadinpentoxid oder Zimtsäureäthylester von einer Dichte in der Größenordnung von 0,013 g/car Wasser sind auch für die Suspension 56 brauchbar. Das gleiche gilt für die nichtwäßrigen Suspensionen a. B. von in Xylol dispergiertem Polyäthylen, von in Benzol dispergiertem Polydimethylsiloxan, von in Benzylalkohol dispergiertem Polyvinylpyrrolidon, von in Bromoform dispergiertem Polystyrol, von in Benzol dispergierteni Polyoethylmethacrylat und von in Cyclohexanon dispergierter Nitrozellulose. Andere Suspension

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nen sind auf den Seiten 662 bis 664 des Bandes 6, Nr. 5, der Zeitschrift: "Soviet Physics Uspekhi" vom Mära - April I964 aufgezählt.

Entsprechend der Anordnung der öffnungen 28, 30, 44 und 48 fließt die Suspension 56 durch die Zelle 26 in angenähdert vertikaler Richtung und durch die Zelle 40 in annähernd horizontaler Richtung. Wenn sie bewegt wird, wird ihr aufgrund des Viskositäts- und Geschwindigkeit sgradienten durch die inneren Scherbeanspruchungen an den Partikeln eine optische Anisotropie erteilt, deren begünstigte optische Achse in ihrer Ströraungsrichtung liegt. Daher verhält sich die Zelle 26 wie ein optisch anisotropes Medium mit einer bevorzugten optischen Achse in der Strömungsriehtung der Suspension 56, (die in dar Figur 3 innerhalb ihrer Fläche durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet ist); die Zelle 40 verhalt sich in derselben Weise, wobei nur die Suspension in der horizontalen Richtung strömt, (wie durch einen kleinen Kreis innerhalb ihrer Flachs in Figur 3 gezeigt ist). Wenn das flüssige Dopp«lprisma der Figur 3 mit den Wollaston-Kristalldoppelprisma der Figur 1 verglichen wird, zeigt sich eine optische Identität; die beidtn Doppelprismen haben also zwei Einzelprismen mit bevorzugten optischen Acheen, die zueinander orthogonal verlaufen. Das flüssige Doppelprisma der Figuren 2 und 3 hat also dieselben Ablenkeigenaahftften wie das Kristalldoppelprisma, wie in Figur 3 durch die Ablenkung der vertikalen und horizontalen Komponente eines einfallenden Lichtstrahls 59 um den Winkel 0 längs Bahnen 60 und 61 gezeigt iet, die mit der Einfallsrichtung 57 des Lichtstrahls 59 in einer einzigen Ebene liegen.

In dem flüssigen Doppelprisma der Figur 4 1st eine Auslaßöffnung 62 der Zelle 26 neben der Wand.34 angeordnet und hat etwa dieselbe Grüße wie die Einlaßöffnung 26. Aus nichtgeklärten Gründen lankt dieses flüssige Doppelprisma die horizontale und vertikale Komponente ein«s in der Richtung 57 einfallenden Lichtstrahls derart ab, daß sie es auf Bahnen verlassen, die mit der Einfallsrichtung

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57 nicht in einer einzigen Ebene liegen. Die Komponenten treten also auf Bahnen in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene aus. Die Richtung dieser Bahnen kann durch eine Änderung der Durchflufigeschwindigkeit der Suspension 56 moduliert werden.

Die flüssigen Doppelprismen trennen die horizontale und vertikale Komponente eines einfallenden Lichtstrahls um einen Betrag, der geringer als derjenige ist, der bei einem Wollasion-Kristalldoppelprisraa möglich ist. Insbesondere können sie eine Trennung zwischen den Komponenten eines einfallenden Lichtstrahles bewirken, die wesentlich kleiner als eine Winkelminute ist. Dementsprechend sind die flüssigen Prismen insbesondere in Systemen aus einer Folge von lichtempfindlichen Elementen brauchbar. Sie können mit niedrigen Kosten hergestellt werden, die um einen Faktor von 10 unter denen der bekannten Wollaston-Kristalldoppelprisraen liegen.

Die Suspension 56 kann durch die Zellen 26 und 40 auch in entgegengesetzter Richtung, also durch die Zelle 26 von unten nach oben und durch die Zelle 40 aus der Zeichenebene herausgepumpt werden* Fernerhin kann auch die Form der Zellen 26 und 40 abgeändert werden, wobei nur die Voraussetzung zu erfüllen ist, daft die optisch durchsichtige, den Zellen 26 und 40 gemeinsame Flache nicht senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtstrahls liegt, da bei einem senkrechten Einfallswinkel keine Brechung des einfallenden Lichtstrahls stattfindet.

Schließlich können die Zellen 26 und 40 auch völlig aus optisch*»"' Glas von hoher Qualität angefertigt sein. Bti einer solchen Konstruktion muß jedoch darauf geachtet werden, daß unerwünschtes Licht aus dem Hintergrund nicht auf das Doppelprisma fällt.

In typischer Weise kann das Innere der prismenförmigen Zelle 26 eine Breit· von 5 Zoll (12,7 nn), eine Höhe von 4 Zoll (10,2 cm),

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eine Tiefe von I/4 Zoll (6„35 mm) und einen Winkel 0 - 30° aufweisen; da« Innere der prismenförmigen Zelle 40 kann eine Höhe von 3/5 Zoll (15)3 mm), eine Tiefe von 4 Zoll (10,2 cm), eine lange Seite von 1 Zoll (25.4 mm) und eine kurze Seite von 3/5 Zoll (15,3 mm) aufweisen* Die Öffnungen 28, 44, 46 und 62 können eine Querschnittsfläche von 0,11 Quadratzoll (0,705 cm²) und die Öffnung 30 kann eine Querschnittsflache von 0,5 Quadratzoll (3,2 cm ) haben·

Beim beschriebenen flüssigen Doppelprisma strömt eine kolloidale Suspension, die eine Strömungsdoppelbrechung aufweist, durch swei hohle Zellen in unterschiedlicher Richtung, damit die Komponenten eines in unterschiedlichen Richtungen polarisierten Lichtstrahls! der auf das Doppelprisma fällt, l&ngs verschiedener Wege abgelenkt wird. Wenn die Suspension durch die Zellen in zueinauder senkrechten Richtungen hindurchfließt, sind die Ablenkbahnen und die Einfallsrichtung des Lichtstrahls koplanar. Wenn jedoch die Suspension in anderer Weise als in etwa sueinander orthogonalen Richtungen durch die Zellen hindurchgeht, liegen die Ablenkwege und die Richtung des einfallenden Lichtstrahls in zueinander senkrechten Ebenen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

X)J Polarisator nach Art eines Wollaston-Doppelprismas, d a -

urch gekennzeichnet, daß zwei hohle, prismenartige Zellen (26, 40) mit optisch durchsichtigen Flächen (3ό, 38, 42) über je eine Ein- und Auslaßöffnung (28, 30 oder 62; 42, 48) mit einer Quelle (58) einer kolloidalen Suspension (56), die die Eigenschaft der Strömungsdoppelbrechung besitzt, in Verbindung stehen, und daß von einer Pumpe (54) diese Suspension (56) in einer vorgegebenen Richtung durch die eine Zelle (26) und in einer anderen Richtung durch die andere Zelle (40) hindurchtreibbar ist*
2) Polarimeter nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine optisch durchsichtige Fläche (38) beiden Zellen (26 und 40) gemeinsam 1st.
3) Polarimeter nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sin- und Auslaflöffnungen (28, 30; 42, 48) an den beiden Zellen (26, 40) derart gegenübergestellt sind, daß die Suspension (56) durch die beiden Zellen (26, 40) in zueinander senkrechten Richtungen hindurchtreibbar ist.
4) Polarisator nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Ein- oder Auslaßuffnung (28) der dem Lichteinfall ausgesetzten Zelle (26) in unmittelbarer Nachbarschaft der gemeinsamen Fläche (34, 38) und die andere Aus- oder Einlaßöffnung (30) in einem gewissen Abstand von der gemeinsamen Fläche (34, 38) angebracht ist.
5) Polarisator nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (30) eine wesentlich größere Durchtrittsfläche als die Einlaßöffnung (28) aufweist.

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6) Polarisator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ein- und Auslaßöffnungen (28, 62) der dem Liihteinfall (59) ausgesetzten Zelle (26) in unmittelbarer Nachbarschaft der gemeinsamen Fläche (34, 38) angeordnet sind und etwa dieselbe Durchtrittsfläche aufweisen, und daß die Ein- und Auslaßöffnungen (42, 48) der anderen Zelle (40) einander derart gegenübergestellt sind, daß die Suspension (56) senkrecht zur Lichteinfausrichtung (57) durch diese Zelle (40) hindurchtreibbar ist.
7) Polarisator nach den Ansprüchen 1-6, dadurch ge kennzei chnet, daß der Durchsatβ der Suspension (56) zwischen 5 cßr/sec und 50 emv see liegt.
8) Polarisator nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz der Suspension (56) von der Pumpe (54) konstant aufrechterhaltbar ist.

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ίο

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