DE2526496A1

DE2526496A1 - Verschlussvorrichtung mit mindestens einem elektro-optischen teilverschluss

Info

Publication number: DE2526496A1
Application number: DE19752526496
Authority: DE
Inventors: Peter J Dipl Ing Wild
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1975-06-13
Publication date: 1976-11-25
Also published as: CH585415A5

Description

Verschlussvorrichtung mit mindestens einem elektro-optischen Teilverschluss.
Die Erfindung betrifft eine Verschlussvorrichtung, die mindestens einen elektro-optischen Teilverschluss enthält, der aus zwei hintereinander angeordneten steuerbaren Feldeffekt-Flüssigkristallzellen [FK-Zellen) und drei Polarisatoren besteht, wobei sich die Polarisatoren jeweils vor-, hinter- und zwischen den FK-Zellen befinden. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb der Verschlussvorrichtung.
Vorrichtungen, die aus hintereinander angeordneten FK-Zellen bestehen. sind beispielsweise aus dem Artikel von G.W. Taylor: A Method of Matrix Addressing Polarization Rotating or Retarding Light-Valve Arrays (Proc. IEEE, Vol. 58 (1970); pp: 1812-1818) oekannt.
Bekannt sind beispielsweise aus der DT-OS 2 158 563 auch Lichtventile, die nur aus einer zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren angeordneten FK-Zelle bestehen.
Eine Verwendung von FK-Zellen, mit beispielsweise verdrillt nematischer Schicht, für schnell-schaltende Verschlüsse scheiterte jedoch bisher an der lngen Abfallzeit dieser Zellen, die ein Vielfaches ihreP Anstiegszeit bei genügend hoher Ansteuerspannung beträgt (zur Definition der Anstiegs- und Abfallzeit vgl.:FunKschau 1975, Heft 4, S. 54). Entsprechend der Abfallzeit der FK-Zelle sind bei derartigen Verschlüssen auch deren Schliess- oder Oeffnungszeiten entsprechend lang.
Eine Verkürz-ung der im wesentlichen von der Zähigkeit der FK-Verbindung, der Schichtdicke und der Oberflächenorientierung abhängigen Abfallzeit, etwa durch Verringerung der Schichtdicke, bringt grosse technologische Probleme bei der Herstellung mit sich. Insbesondere ist es schwierig, die Schichtdicke über grössere Flächen konstant zu halten.
Eine Verringerung der Zähigkeit etwa durch Erhöhung der Betrieb temperatur erfordert eine zusätzliche Beheizung und eine aufwendige Regelung der Zellentemperatur.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Verschluss der eingangs genannten Art anzugeben. der einfach und wirtschaftlich herzustellen ist und der sowohl eine kurze Oeffnungs- als auch eine kurze Schliesszeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die FK-Zellen und die Polarisatoren hinsichtlich ihrer Durchlassrichtungen derart orientiert sind, dass zum Oeffnen des Teilverschlusses eine erste FK-Zelle und zum Schliessen des Teilverschlusses die jeweils andere FK-Zelle angesteuert werden muss.
Besonders bewährt hat sich ein elektro-optischer Teilverschluss, bei dem die Durchlassrichtung des vor der ersten FK-Zelle angeordneten ersten Polarisators achsparallel zu einer der beiden Oberflächenorientierungsrichtungen dieser FK-Zelle ist und bei dem sowohl die Durchlassrichtung des zweiten als auch des dritten Polarisators senkrecht zur Durchlassrichtung des ersten Polarisators und achsparallel zu einer der beiden Oberflächenorientierungen der zweiten FK-Zelle ist.
Bei derartigen elektro-optischen Verschlüssen wird demnach die Oeffnungszeit im wesentlichen durch die Anstiegszeit der einen Zelle und die Schliesszeit durch die Anstiegszeit der anderen Zelle bestimmt. Die relativ lange Abfallzeit der Zellen wirkt sich während der Transienten der Gesamtanordnung nur wenig aus.
Oeffnen und Schliessen kann bei diesen Verschlüssen gleich rasch erfolgen.
Gegenüber Verschlüssen mit nur einer FK-Zelle, weist der aus zwei FK-Zellen bestehende Verschluss ausserdem den Vorteil auf, dass.
er ein wesentlich höheres Kontrastverhältnis ermöglicht. Dieses wirkt sich wiederum besonders günstig auf das noch zulässige Tastverhältnis bei periodisch arbeitenden Verschlüssen aus.
Die beiden FK-Zellen sind zur Ansteuerung jeweils über einen Schalten S1, S2 mit'einer Zellensteuerspannungsquelle verbunden.
Das Verfahren zum Betrieb der Verschlussvorrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass zum Schliessen des jeweiligen elektro-optischen Teilverschlusses Schalter S1 geschlossen und Schalter S2 geöffnet wird und dass zum Oeffnen des jeweiligen Teilverschlusses zunächst Schalter S1 geöffnet und nach einer Vorbereitungszeit tv Schalter S2 geschlossen wird.
Weitere Einzelheiten des neuen Verschlusses sowie eine elektronische Steuervorrichtung zur Steuerung der Schalter werden nachstehend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert: Es zeigt: Fig. 1 schematisch eine aus nur einem elektro-optischen Teilverschluss aufgebaute Verschlussvorrichtung: Fig. 2a bis 2e einen möglichen Zeitablauf des durch die FK-Zellen dieses Teilverschlusses gelangenden Lichts in Abhängigkeit der jeweiligen Schaiterstellungen, mit deren Hilfe die an den FK-Zellen liegende Steuerspannung ein- oder ausgeschaltet werden und Fig. 3 eine elektronische Schaltung zur sequentiellen Ansteuerung von derartigen Teilverschlüssen.
Die FK-Zellen, die beispielsweise eine nematische Verbindung mit verdrillter Orientierung enthalten, sind in Fig. 1 mit 1 und 2, die Polarisatoren mit 3, 4 und 5 bezeichnet. Die jeweiligen Surchlassrichtungen der Polarisatoren 3, 4, 5 sind durch Pfeile angedeutet. Hierbei ist die Durchlassrichtung des Polarisators 3 achsparallel mit einer der beiden Oberflächenorientierungsrichtungen der Zelle 1. Die Polarisatoren 4 und 5 sind senkrecht zur Durchlassrichtung-des Polarisators 3 orientiert. Eine Oberflächenorientierung der Zelle 2 ist achsparallel zur Durchlassrichtung des Polarisators 4.
Die von einer Spannungsquelle 6 zur Steuerung der FK-Zellen 1, 2 benötigte Spannung kann mit Hilfe der Schalter S1 und S2 ein- oder aus geschaltet werden.
In der nachfolgenden Tabelle, die die verschiedenen Schaltzustände des elektro-optischen Verschlusses wiedergibt, ist mit Ventil 1 die Vorrichtung, bestehend aus den gekreuzten Polarisatoren 3, 4 und der zwischen diesen Polarisatoren Sngeordneten FK-Zelle 1 und mit Ventil 2 die Vorrichtung, bestehend aus den parallelen Polarisatoren 4, 5 und der zwischen diesen Polarisatoren angeordneten FK-Zelle 2, bezeichnet.
Tabelle 1: ZUSTAND S1 ZELLE 1 VENTIL 1 S2 ZELLE 2 VENTIL 2 VERSCHLUSS 1 EIN 0° ZU AUS 900 ZU DOPPELT ZU 2 AUS 900 OFFEN AUS 900 ZU EINFACH ZU 3 AUS 900 OFFEN EIN 0° OFFEN OFFEN 4 EIN 0° ZU EIN 0° OFFEN EINFACH ZU In Spalte 2 und 5 der obigen Tabelle sind die jeweiligen Schalterstellungen der beiden Schalter S1 und S2, in Spalte 3 und 6 die Verdrehungen der Schwingungsebene des elektrischen Vektors nach Durchgang von linear-polarisiertem Licht durch die FK-Zellen 1 und 2, in Spalte 4 und 7 der Zustand der Einzelventile 1 und 2 hinsichtlich ihrer Lichtdurchlässigkeit und in Spalte 8 der Zustand des gesamten.
aus den Ventilen 1 und 2 bestehenden Verschlusses hinsichtlich der Lichtdurchlässigkeit wiedergegeben.
Zustand 1 (1. Zeile von Tab. 1) ist der Ausgangszustand, in dem sich die Anordnung meistens befindet. Zustand 2 ist eine Vorbereitungsphase für das Oeffnen des Verschlusses, welches beim Uebergang von Zustand 2 nach 3 erfolgt. Zustand 4 kann entfallen, indem gleichzeitig S1 und umgeschaltet werden, womit wieder Zustand 1 erreicht ist.
Fig. 2a bis 2e veranschaulichen die zeitliche Abhängigkeit der beiden Schalterstellungen der Schalter S1 und S2 (und damit der an den Zellen 1 und 2 liegenden Spannungen), sowie des durch die Ventile 1, 2 und durch den Verschluss bei den jeweiligen Schalterstellungen gelangenden Lichtes i1, i2 und i1 2. Für t <to liegt Zustand 1 (Tab. 1) vor, d.h.: S1 ist geschlossen (Fig. 2a), S2 geöffnet (Fig. 2c) und beide Ventile 1, 2 (Fig. 2b und 2ct) sind lichtundurchlässig.
Wird zum Zeitpunkt t = t0 der Schalter S1 geöffnet (Fig. 2a), so wird damit auch Ventil 1 (Fig. 2b) geöffnet, wobei die maximale Durchlässigkeit dieses Ventils - entsprechend der langen .Abfallzeit der FK-Zelle 1 - erst zum Zeitpunkt t1 erreicht ist (Zustand 2).
Bei Schliessen von Schalter S2, nach der Vorbereitungszeit t = v t1 - t,, (Fig. 2c) öffnet sich entsprechend der kurzen Anstiegszeit tE der FK-Zelle 2 auch Ventil 2 (Fig. 2d) und damit der Teilverschluss (Fig. 2e) sehr schnell (Zustand 3).
Das Schliessen des Teilverschlusses erfolgt dann durch Schliessen von S1 (Fig. 2a) und gleichzeitigem Oeffnen von S2 (Fig. 2c). Dabei wird die Schliesszeit des Teilverschlusses [Fig. 2e) durch die kurze Anstiegszeit tE des Ventiles 1 (Fig. 2b) bestimmt.
Die Anordnung der Fig. 1 kann jedoch auch so umgestaltet werden, dass die Durchlassrichtungen von 3 und 4 zueinander parallel und senkrecht zu derjenigen von 5 sind und im Ausgangszustand Schalter S1 offen und Schalter S2 geschlossen ist.
Bei speziellen Kamera-Anwendungen wird eine regelmässige Anordnung von Teilverschlüssen verwendet. Die Teilverschlüsse können in Form von einer Reihe (eindimensional) oder einer Matrix (zweidimensional) angeordnet sein. Im folgenden wird beispielsweise eine Anordnung be-5chriesen, mit der ein Vorgang mit optischer Wirkung in nacheinanderfolgende Teilvqrgänge aufgelöst werden kann. Zu diesem Zweck wird das zeitlich variierende Bild über ein Vielfachlinsensystem jedem Teilverschluss in gleicher Weise zugeleitet. Durch aufeinanderfolgendes Oeffnen der Teilverschlüsse können die zeitlich nacheinanderfolgenden Teilvorgänge räumlich getrennt photographisch festgehalten werden. Falls der zu analysierende Vorgang wiederholt auftritt, besteht die Forderung, dass die Periode grösser ist als die Zeit t5 + tv eines Teilverschlsses.
Fig. 3 zeigt eine mögliche elektronische Schaltung zur Ansteuerung einer Gruppe derartiger Teilverschlüsse. Dabei soll gleichzeitig immer nur ein Verschluss während der Schaltzeit t (Fig. 2c) geöffnet sein und die anderen Verschlüsse jeweils nacheinander eingeschaltet werden. Entsprechend Fig. 1 sind den einzelnen Verschlüssen jeweils zwei Schalter zugeordnet, und zwar: dem ersten Teilverschluss die Schalter S11 und S21, dem zweiten Teilverschluss die Schalter S12 und S22 usw. Dabei sind diese Schalter in praktischen Logikschaltungen keine Relais, sondern z.B. Transmissions-Gatter oder Exklusiv-Oder-Gatter in CMOS-Technik.
Die elektronische Steuervorrichtung gem. Fig. 3 enthält einen astabilen Multivibrator 9, dessen Periode die Schaltzeit t ergibt, und der sowohl mit zwei Schieberegistern 7, 8 als auch über ein UND-Gatter 12 mit einem - im vorliegenden Beispiel vierstufigen Binär-Vorwärtszähler 10 mit Preset-Eingängen verbunden ist. Die Ausgänge des Zählers 10 sind einerseits über ein NICHT-UND-Gatter 13 mit einem zweiten Eingang des ersten ODER-Gatter 14 mit dem Eingang des ersten Schieberegisters 7 und andererseits über ein zweites UND-Gatter 15 und ein zweites ODER-Gatter 16 mit dem Eingang des zweiten Schieberegisters 8 verbunden. Zwischen dem Ausgang des Binär-Zählers 10, der der niedrigsten Zählstufe zugeordnet ist, und einem Eingang des zweiten UND-Gatter's 15 befindet sich eine Umkehrstufe 17. Das jeweils letzte Register der beiden Schieberegister ist mit jeweils einem zweiten Eingang der am Eingang der Register 7, -8 liegenden ODER-Gatter 14, 16 verbunden. Die einzelnen Register besitzen ausserdem eine Verbindung zu den Schaltern S11, ..., S2n, und-zwar jede Stufe des Registers 7 über je eine Umkehrstufe mit den Schaltern S11, ..., S1n und jede Stufe des Registers 8 mit den Schaltern S2 1, . . ., S2n Der Start der Steuervorrichtung erfolgt über einen Impuls 11 am Eingang A, welcher die Schieberegister 7 und 8 auf Null stellt und den Preset dem Zähler 10 eingibt. Im gezeigten Beispiel ist die Oeffnungsdauer der Schalter S1n : 5 x t5, d.h. die Vorbereitungszeit tv ist 4 x t5.
Um diesen Faktor einzustellen, ist dem Zähler an den Preset-Eingängen die binäre Darstellung der Dezimalzahl 11 vorgegeben (1101). Der Zähler beginnt dann erst bei der Ziffer 11 zu zählen. Nachdem der Zählerstand 15 erreicht ist, wird ein weiteres Zählen durch das UND-Gatter 12 verhindert. Die Gatter 13, 14, 15, 16. 17 liefern die nötigen Steuersignale zur richtigen Initialisierung der beiden Schieberegister. Während die Schalter S21, ..., S2n nur während einer Taktperiode geöffnet werden, da im Schieberegister 8 nur eine logische Eins zirkuliert, werden die Schalter S11, .. S1n während fünf aufeinanderfolgenden Taktperioden geöffnet.
Sofern ein anderes Verhältnis von Vorbereitungszeit tv und Schaltzeit ts eingestellt werden soll, so muss bei einem f-stufigen Zähler 10 und bei einem gegebenen Verhältnis von m = tv/tS an den Preset-Eingängen die binäre Darstellung der Zahl: 2 - (m + 1) vorgegeben werden.

Claims

Patentansprüche

Verschlussvorricht,ung, die mindestens einen elektrooptischen Teilverschluss enthält, der aus zwei hintereinander angeordneten steuerbaren Feldeffekt-Flüssigkristallzellen (FK-Zellen) und drei Polarisatoren besteht, wobei sich die Polarisatoren jeweils vor, hinter und zwischen den FK-Zellen befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die FK-Zellen (1,2) und die Polarisatoren (3,4,5) hinsichtlich ihrer Durchlassrichtungen derart orientiert sind, dass zum Oeffnen des Teilverschlusses eine erste FK-Zelle (1) und zum Schliessen des Teilverschlusses die jeweils andere FK-Zelle (2) angesteuert werden muss.
2. Verschlussvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektro-optischen Teilverschluss, bei dem die Durchlassrichtung des vor der ersten FK-Zelle (1) angeordneten ersten Polarisators (3) achsparallel zu einer der beiden Oberflächenorientierungsrichtungen dieser FK-Zelle (1) ist, und dass sowohl die Durchlassrichtung des zweiten als auch des dritten Polarisators (4,5) senkrecht zur Durchlassrichtung des ersten Polarisators (3) und achsparallel zu einer der beiden Oberflächenorientierungen der zweiten FK-Zelle (2) ist.
3. Verschlussvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung der FK-Zellen (1,2) diese jeweils über einen Schalter S1, S2 mit einer Zellensteuerspannungsquelle (6) verbunden sind.
4. Verschlussvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch n optisch parallel zueinander angeordnete und gleich aufgebaute Teilverschlüsse zur räumlich getrennten Aufzeichnung von zeitlich nacheinanderfolgenden Ereignissen.
5. Verschlussvorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der FK-Zellen in den n-Teilverschlüssen mit Hilfe einer die Schalter S11, S12, ... Sln; S21, S22, ... S2n betätigenden, elektronischen Steuervorrichtung erfolgt.
6. Verschlussvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuervorrichtung (Fig.3), die den n Teilverschlüssen zugeordneten Schalter soll, S21, ..., S2n derart betäti.gt, dass zur gleichen Zeit höchstens ein Teilverschluss geöffnet ist, und dass nacheinander zunäehst der den Schaltern Sll, S21 zugeordnete. Teilverschluss, dann der den Schaltern S12, S22 zugeordnete Teilverschluss usw. betätigt wird.
7. Verschlussvorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuervorrichtung einen astabilen Multivibrator (9) enthält, der mit zwei Schieberegistern (7,8) und über ein erstes UND-Gatter (12) mit einem mehrstufigen Binär-Vorwärtszähler (10) mit Preset-Eingängen verbunden ist, dass die Ausgänge des Zählers (10) einerseits über ein NICHT-UND-Gatter (13) mit einem zweiten Eingang des ersten UND-Gatter (12) sowie über ein erstes ODER-Gatter (14) mit dem Eingang des ersten Schieberegisters (7) und andererseits über ein zweites UND-Gatter (15) und ein zweites ODER-Gatter (16) mit dem Eingang-des zweiten Schieberegisters (8) verbunden sind, wobei sich zwischen dem Ausgang des Zählers (10), der der niedrigsten Zählstufe zugeordnet ist, und einem Eingang des zweitem UND-Gatters (15) eine Umkehrstufe (17) befindet, dass das jeweils letzte Register der beiden Schieberegister (7, 8) mit einem zweiten Eingang des jeweiligen am Eingang der Schieberegister liegenden ODER-Gätter (14,16) verbunden ist und dass die Stufen des ersten Schieberegisters (7) über je eine Umkehrstufe mit den Schaltern Sll, ... , Sln und die Stufen des zweiten Schieberegisters (8) mit den Schaltern S21, ..., S2n verbunden sind.
8. Verschlussvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die FK-Zellen (1,2) eine nematische Verbindung enthalten.
9. Verfahren zum Betrieb der Verschlussvorrichtung gemäss den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schliessen des jeweiligen elektro-optischen Teilverschlusses der erste Schalter S1; S11, ... Sln geschlossen und der zweite Schalter S2, S21, ...S2n geöffnet wird und dass zum Oeffnen des jeweiligen Teilverschlusses zunächst der erste Schalter S1; S11, ... S1n geöffnet und nach einer Vorbereitungszeit tv (Fig.2a - 2e) der zweite Schalter S2; S21, ..., S2n geschlossen wird.
10. Verfahren-nach Anspruch 9, wobei die Verschlussvorrichtung eine elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 7 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis m von Vorbereitungszeit t, v zur Schaltzeit ts des einzelnen Teilverschlusses bei einem #- -stufigen Zähler (10) gegeben ist durch die binäre Darstellung der Zahl 2 e - (m + 1) Leerseite