DE2619144A1

DE2619144A1 - Vorrichtung zur steuerung eines lichtstrahlenbuendels

Info

Publication number: DE2619144A1
Application number: DE19762619144
Authority: DE
Inventors: Helmut Probst
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-04-30
Filing date: 1976-04-30
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DE2620015A1

Description

"Vorrichtung zur Steuerung einesLichtstrahlenbündels"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines von einer Lichtquelle auagehenden Strahlenbündels mit einer zwischen zwei Polarisationsfiltern angeordneten durchsichtigen Festkörperschicht, deren Doppelbrechung durch eine elektrische Feldstärke steuerbar ist, die mittels /einer an wenigstens zwei auf der Festkörperschicht befindlichen Elektroden angelegten Spannung erzeugt wird, und mit optischen Mitteln zur Beeinflussung des durch die Festkörperschicht hindurchgehenden Strahlenbiindels.
In manchen gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen bewirkt eine elektrische Feldstärke die Entstehung einer optischen Anisotropie oder deren Änderung. Diese als Kerr-Effekt bekannte Erscheinung, die in Nitrobenzol besonders ausgeprägt ist, nutzt man als elektrisch steuerbare Doppelbrechung transpartenter Schichten aus. Bei der Doppelbrechung wird ein einfallender Lichtstrahl in zwei Strahlen, nämlich den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl, aufgespalten, Die Phasengeschwindigkeit des letzteren hängt von der Richtung des Strahls im anisotropen Medium ab. Nach dem Verlassen dieser zwischen zwei Polarisationsfiltern eingefügten doppelbrechenden Schicht können die beiden Strahlen miteirnnder interferieren; es entsteht dabei also ein nicht nur von der Schichtdicke, sondern auch von der Strahlrichtung abhängiger Gangunterschied. Bei bestimmten Einfallswinkeln wirddann monochromatisches Licht ausgelöscht, d. h. für diese Richtungen sperrt die Anordnung den Lichtdurchgang, bei weißem Licht dagegen werden aus dem Spektrum eine oder mehrere Wellenlängenbereiche ausgelöscht, so daß eine mit dem Einfallswinkel veränderliche Interferenzfarbe entsteht.
Voraussetzung für das Auftreten von Interferenzerscheinungen ist, daß der einfallende Lichtstrahl linear polarisiert ist, und daß er nach Verlassen der doppelbrechenden Schicht ein Polarisationsfilter (Analysator)durchquert hat.
Als monochromatische Lichtquelle eignet sich z, B, ein Laserstrahl; dieser ist bereits linear polarisiert. Bei Verwendung anderer Lichtquellen muß der Lichtstrahl ein Polaristaionsfilter (Polarisator) durchqueren, bevor er in das elektrooptische Medium (z B, Kerr-Zelle) eintritt, Der Analysator wird hinter diesem vorzugsweise so angeordnet, daß seine Durchlaßrichtung senkrecht zu der Schwingungsebene des einfallenden Strahls orientiert ist. Eine solche Anordnungspertt dn Lichtdurchgang solange die elektrooptsiche Zelle noch ohne Spannung und somit optisch isotrop ist.
Die Durchlæsigkeit gekreuzter Polarisationsfilter wird ebenfalls durch den Winkel beeinflußt, unter welchem sie von dem Lichtstrahl durchquert werden0 Die handelsüblichen, mit Glas- oder Kunststoff-Deckschichten geschützten Polarisationsfolien werden in einem Streck- und Färbungsprozeß hergestellt; sie haben ein Löschungsvermögen, das Werte größer als 105 erreichen kann. Hierunter versteht man das Verhältnis der Lichtdurchlässigkeiten eines lotrecht durchstrahlten Paares gleichwertiger Polarisatoren mit parallelen bzw, rechtwinklig gekreuzten Schwingungsrichtungen.
Das Löschungsvermögen bleibt etwa gleich, wenn der Einfallswinkel des Lichtstrahls in einer Ebene liegt, zu der die Sperr- bzw Durchlaßrichtung eines der beiden Polarisationsfilter parallel verläuft; in den vier Sektoren zwischen diesen Richtungen kann jedoch das Löschungsvermögen, insbesondere bei großem Einfallswinkel, beträchtlich abfallen. In einer Anordnung zur elektrischen Steuerung der Lichtintensität mittels Kerrzelle o. ä. können also auch die Polarisationsfilter zur Winkelabhängigkeit der Transemission beitragen.
Statt der Kerr-Zelle wird als elektrooptisches Element in zunehmenden Maßen eine dünne, transparente Scheibe aus ferroelektrischem Material verwendet. Besonders geeignet ist die unter der Bezeichnung PLZT bekannte Keramik (lanthanum-modified lead zirconate titanate). Die Scheibe ist vorzugsweise mit Elektroden versehen, die eine kammartige Struktur haben und deren Zinken berührungsfrei ineinandergreifen. Legt man an die beiden miteinander verkämmten Elektroden eine Spannung, dann wird in der Scheibe eine Feldstärke erzeugt, die im Mittel in einer Richtung parallel zur Oberfläche verläuft. Dadurch entsteht in der polykristallinen Keramik eine annähernd homogene Polarisation, die wiederum eine Doppelbrechung zur Folge hat. Deren Stärke wird durch die Differenz An der Brechzahlen für den außerordentlichen und den ordentlichen Strahl definiert. Sie ist eine von der Materialzusammensetzung abhängige Funktion der erregenden Feldstärke. Z B. wird bei einem Verhältnis des Zirkonats zum Titanat wie 65 zu 35 die Doppelbrechung A n proportional dem Quadrat jeder Feldstärke, wie bei den klassischen Xerrzellen, und damit unabhängig von der Polung der angelegten Spannung Für andere W2terial zusammensetzungen zeigt die Abhängigkeit der Polarisation von der erregenden Feldstärke die Form einer Hyster-seschleife.Damit ermöglicht die ferroelektrische PLZT-Scheibe auch eine flächenhafte Speicherung von Informationen.
In den beiden Richtungen parallel zum Feldstärkevektor ist An = o; in allen dazu senkrechten Richtungen erreicht An den Maximalwert, also auch in Richtung der Flächennormalen der PLZT-Scheibe, wenn deren Oberfläche mit einer interdigitalen Elektrodenanordnung versehen ist. In diesem Fall wird bei angeleger Spannung der Gangunterschiedr= r = An d, wenn d die Dicke der Scheibe ist.
Für alle von der Flächennormalen abweichenden Richtungen des Lichtstrahls verringert sich An, andererseits wird die in der Keramik durchlaufene Strecke größer als d Eine PLZT-Scheibe zwischen gekreuzten Polfiltern, deren Sperr-Richtungen wie üblich mit der Richtung der Feldstärke zwischen den karmartigen Elektroden einen Winkel von +450 bzw. -45 bilden, zeigt also im eingeschalteten Zustand eine mit der Durchstrahlungsrichtung veränderliche Transmission und unterschiedliche Interferenzfarben, insbesondere wenn der Gangunterschied gleich der Wellenlänge des Lichts oder größer ist. Im ausgeschalteten Zustand ist die Anordnung lichtundurchlässig, da dann das elektrooptische Element isotrop ist Jetzt wird die Winkelabhängigkeit des Loschungsvermögens der Polarisationsfilter wirksam, und bei großen Einfallswinkeln kann die Sperrwirkung stark beeinträchtit werden.
Das trifft besonders dann zu, wenn die Einrichtung als elektronisch steuerbarer Transmilsionsschalter in einer Schutzbrille oder in einem Lichtschutzfenster (beispielsweise in der Flugzeugkanzel) verwendet wird, Da Schließzeiten von weniger als 100 Mikrosekunden erreichbar sind, kann ein solcher elektrooptischer Schnellverschluß die Netzhaut des Auges oder anderer lichtempfindlicher Schichten (z. B. Fotokathode einer Bildaufnahmeröhre) wirksam schützen, wenn die Sperrwirkung im ganzen Gesichtsfeld ausreichend ist.
Die Winkelabhängigkeit der Offen-Transmission und deren spektrale Verteilung stört bei verschiedenen Anwendungen, z, B. als elektrisch steuerbare Abblendvorrichtung oder als elektrisch noduliertes Farbfilter Auch bei der Verwendung in der dreidimensionalen Bildwiedergabe, wie z, B, bei Manipulatoren, bei Navigations-Trainern oder beim 3D-Fernsehen, wobei das von dem Bildschirm ausgehende Licht sequentiell und sehr kurzzeitig von dem einen auf das andere Auge umgeschaltet wird, erwartet man eine von der Blickrichtung unabhängige Wiedergabe. Das gilt auch für die Benutzung der forroelektrischen PLZT-Keramik als optisch adressierbare Bildspeicherplatte oder in anderen Datenspeichersystemen. Hier wird meist mittels transparenter Elektroden ein Feld in Richtung der Flachonnorsalen erzeugt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung insbesondere dahingehend zu verbessern1 daß die Winkelabhängigkeit der Transmission und der Interferenzfarbe verringert wird.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die optischen Mittel derart ausgobildot und angeordnet sind, daß sie in der Festkörperschicht einen telezentrischen Strahlengang des Ikltstrahl enbündels bewirkten.
Die Achse des nutzbaren Lichtbündels, der Hauptstrahl verläuft dann in diesen Teilstück parallel zun Lot auf die Flächen der Polfilter und der doppelbrechenden Schicht, oder zumindest unter einem bzgl. Betrag und Azimut überall gleichen Einfallswinkel. Diesen Strahlengang erreicht man bevorzugt durch Verwendung optischer Linsen geeigneter Brechkraft oder einer Kanalplatte (Raumwinkelfilter). Die Abbildungen sollen die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen verdeutlichen.
Die Fig 1 zeigt, daß das von der Lichtquelle 1 ausgehende Licht nach Verlassen des Polarisators 2 linear polarisiert auf die elektrooptische Keramikscheibe 3 trifft, in der in diesem Beispiel zwischen den miteinander verkämmten Elektroden nach Anlegen der Spannung U eine Feldstärke herrscht, deren Richtung (pfeil 4) um 450 gegenüber der Schwingungsebene des einfallenden Lichtes versetzt ist. Diese wird in der doppelbrechenden Schicht um 900 gedreht, so daß sie danach Mit der Durchlaßrichtung des Analysators 5 übereinstimmt.
Im ausgeschalteten Zustand ist im wesentlichen nur das Polarisationsfilter wirksam, dessen sehr geringe Durchlässigkeit die Opazität der Anordnung bestimmt.
In einer Blendschutzbrille erzeugt man zweckmäßig den telezengemäß Fig, 2 tischen Strahlengang dadurch1 daß man/das Licht vor dem Polarisator 2 durch eine Zerstreuungslinse 6 und hinter dem Analysator 5 durch eine Sammellinse 7 gehen läßt. Die Dioptrienzahlen der bei6 Linsen sind dem Beträge nach ungefähr gleich, und der Äugendrehpunkt 8 befindet sich etwa im Brennpunkt der Sammellinse 7; dadurch ist gewährleistet, daß das von dem betrachteten Gegenstand kommende und die Pupille erreichende Licht für jede Blickrichtung die Keramikscheibe 3 und die Polarisationsfilter 2u.5 in Richtung der Flächennormalen passiert. Die Filter können in Form von Kunststoff-Folien auf der Keramikscheibe 3 aufgebracht sein. Um Verzeichnungsfehler zu vermeiden und aus Gründen der Gewichtsersparnis ist es zweckmäßig, die Linsen als Stufenlinsen (Fresnel-Linsen) auszubilden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist und auch für die nachfolgenden Beispiele gelten soll. Die Zerstreuungslinse 6 und die Sammellinse 7 schließen beiderseits den Transmissionsschalter ab, der aus der ferroelektrischen Keramikscheibe 3 und den beiden Polarisationsfiltern 2 und 5 besteht. Der Drehpunkt des Auges 8 befindet sich ungefähr im Brennpunkt der Sammellinse 7, Das Linsenpaar kann auch durch Veränderung der Dioptrienzahl zur Korrektur einer Fehlsichtigkeit herangezogen werden.
Kontrast und Transmission können dadurch verbessert werden, daß man die Oberflächen der Linsen, der Polarisationsfilter und/oder der elektrooptischen Schicht mit einem Antireflexbelag versieht, oder auch dadurch, daß man diese Teile ohne Luftzwischenraum verkittet.
Durch geeignete Konfiguration der Elektroden ist es möglich, alphanumerische oder andere Zeichen auf der elektrooptischen Festkörperschicht 3 (beispielsweise PLZT-Koramik-Scheibe) darzustellen, Will man diese Zeichen optisch abbilden, z, B, mittels eines Projektions-Objektivs auf eins Bildwaid, dann können unterschiedliche Färbungen, bedingt durch die Verschiedenheit der Durchstrahlungsrichtungen, mittels des erfindungsgemäßen telezentrischen Strahlengangs vermieden werden, wie dies beispielsweise in Fig, 3 skizziert ist. Die Lichtquelle 9 des Projektors befindet sich etwa in der Brennebene einer Kondensorlinse 10, welche die Achse 11 (Hauptstrahl) des Lichtbündels parallel zur Flächennormalen des Polarisators 2, der Keramikscheibe 3 und des Analysators 5 ausrichtet, Die zweite Sammellinse 12 entwifft in ihrer Brennebene ein reelles Bild der Lichtquelle, Hier etwa befinden sich die Projektionslinse 13 und die Blende 14, die den Öffnungswinkel des Licht-Doppelkegels in der Keramikscheibe begrenzt.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i ist anstelle der Kondensorlinse eine lichtstreuende Scheibe 15 verwendet, die von der Lichtquelle 16 beleuchtet wird, Diese Lichtquelle kann zweckmäßig auch der Leuchtschirm einer Kathodenstrahlröhre sein. Der Hauptstrahl 11 des für die Abbildung benutzten Lichtbündels verläuft auch hier stets lotrecht durch die Polarisationsfilter und die Keramikscheibe 3, wenn die Projektionslinse 13 in der Brennebene der Sammellinse 12 angebracht ist.
In Fig. 5 ist gezeigt, daß der telenzentrische Strahlengang auch ganz ohne Verwendung von Linsen erzeugt werden kann, nämlich mittels einer Kanalplatte 17, die Je nach dem Schlankheitsgrad der parallal und dicht nebeneinander angeordneten Löcher das Licht nur unter einem mehr oder weniger eng begrenzten Raumwinkel austreten läßt. Dieses "Raumwinkelfilter" läßt nur nahezu achsenparallele Lichtbündel durch die Polarisationsfilter und die Keramikscheibe hindurchtreten. Ersetzt man die zweite Sammellinse 12 durch eine Mattscheibe, z. B.
eine lichtstreuende Schicht auf des Analysator, so entsteht hier IM eingeschalteten Zustand ein Bild der Elektrodenkonfiguration, das auch in einem großen Rau-winkel betrachtet werden kann, ohne daß die Blickrichtung des Auges einen Einfluß auf dou Kontrast und den Farbton hitta,

Claims

Patentansprüche S Vorrichtung zur Steuerung eines von einer Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels mit einer zwischen zwei Polarisationsfiltem angeordneten durchsichtigen Festkörperschicht, steuerbar ist, deren Doppelbrechung durch eine elektrische Feldstärke/ die mittels einer an wenigstens zwei auf der Festkörperschicht befindlichen Elektroden angelegten Spannung erzeugt wird, und mit optischen Mitteln zur Beeinflussung des durch die Festkörperschicht hindurchgehenden Strahlenbündels, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie in der Festkörperschicht (3) einen telezentrischen Strahlengang des Strahlenbündels bewirken.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Mittel vor der Festkörperschicht eine Sammellinse (10) angeordnet ist, in deren Brennebene sich die Lichtquelle befindet, und hinter der Festkörperschicht eine zweite Sammellinse (7) angeordnet ist, deren Brennebene sich in der Nähe der abbildenden Linse befindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle als beleuchtete lichtstreuende Fläche (15) ausgebildet ist und eine hinter der Festkörperschicht (3) angeordnete Sammellinge (12) den telezentrischen Strahlengang hervorruft.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Sammellinse als Stufenlinse ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als optisch Mittel zwischen Lichtquelle und Festkbrperschicht eine Kanalplatte (17) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallellichtbündel hinter der Festkörperschicht (3) und dem Analysator (5) auf eine lichtstreuende Fläche (18) trifft.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtstreuenden Flächen auf dem Polarisator (2) und/oder auf dem Analysator (5) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von jedem Punkt des Gesichtsfeldes einer Schutzbrille oder sonstigen Lichtschutz-Vorrichtungen ausgehende Lichtbündel vor der Festkörperschicht eine Zerstreuungslinse und hinter der Festkörperschicht eine Sammellinse passiert, bevor es das Auge (8) oder eine andere vor übermXßig-r Licheinwirkting zu schützende Fläche erreicht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen als Stufenlinsen ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Augenschutzes eine Fehlsichtigkeit durch entsprechende Form der lichtbrechenden Linsenflächen ausgeglichen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet-, daß die Festkörperschicht aus einer ferroelektrischen Keramik, insbesondere einer PLZT-Keramik, besteht.