DE2712323A1

DE2712323A1 - Elektrooptischer lichtverschluss

Info

Publication number: DE2712323A1
Application number: DE19772712323
Authority: DE
Inventors: Yasuo Kato; Akio Kumada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-03-22
Filing date: 1977-03-21
Publication date: 1977-10-06
Also published as: JPS52113758A; CA1078053A; JPS6132657B2; GB1558851A; US4154505A

Description

BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ PATENTANWÄLTE

8OOO München 22 - Steinsdorfstr. 1O Dipl.-ing. r. beetz sen.

TELEFON (O88) 22 72 01 - 327244 - 28B91O DIpL-In₈. K. LAMPRECHT Tale B2204a-Telegramm Allpatent München Dr.-Ing. R. BEETZ Jr. Dipl.-Rhys. U. HEIDRICH

Dr.-Ing. W. TIMPE β Dlpl.-lng. J.SIEQFRIED

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81-26.693P 21. 3- 1977

HITACHI , LTD., Tokio (Japan) Elektrooptischer Lichtverschluß

Die Erfindung bezieht sich auf LichtverschlUsse, mit deren Hilfe der Durchgang von Licht alternierend gestattet und verhindert werden kann, und spezieller betrifft sie Verbesserungen an Lichtverschlussen, die mit einem elektrooptischen Effekt arbeiten.

Optische Geräte unter Einschluß von Kameras und Projektoren sind vielfach mit einem Lichtverschluß versehen, für den sich Bezeichnungen wie Verschluß, Lichtschalter od. dgl. eingeführt haben, um einen gesteuerten und intermittierenden Durchgang von Licht zu erzielen.

Am gebräuchlichsten sind für diesen Zweck bislang mechanische LichtverschlUsse. Dank des strukturellen Grundprinzips, nach dem diese mechanischen LichtverschlUsse aufgebaut sind, zeichnen sie sich dadurch aus, daß die Menge des hindurchgehenden Lichtes, also das Ausmaß des Lichtdurchtritts, auf sehr kleine Werte begrenzt werden kann, wenn sich der Lichtverschluß la seiner geschlossenen Stellung befindet. Auf diese Weise zeigt ein mechanischer Lichtver-

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Schluß insofern ein ausgezeichnetes Verhalten, als er zu einem sehr großen Kontrastverhältnis führt. Unter Kontrastverhältnis ist in diesem Zusammenhang das Verhältnis zwischen der den Verschluß in seinem offenen Zustand passierenden Lichtmenge einerseits und der bei geschlossenem Verschluß noch hindurchgehenden Llchtmenge andererseits zu verstehen. Auf der anderen Seite weist ein mechanischer Lichtverschluß aber auch verschiedene Mängel auf, zu denen insbesondere seine relativ niedrige Betriebsgeschwindigkeit, sein relativ langsames Ansprechen auf eine äußere Steuerung, Schwierigkeiten für einen mit anderen Geräten synchronisierten Betrieb und schließlich sein relativ komplizierter und großvolumlger Aufbau gehören, wobei alle diese Mangel letztlich darauf zurückzuführen sind, daß eine Lamelle - als das Licht abschirmendes Element - mit einer gewissen Masse bewegt werden muß, um den Lichtdurchgang und dessen Unterbrechung zu bewirken. Daher lassen sich mechanische Lichtverschlüsse bei optischen Geräten wie beispielsweise sogenannten stereoskopischen Fernsehapparaten, bei denen der Lichtdurchgang und seine Unterbrechung mit relativ hoher Geschwindigkeit gesteuert werden müssen, nur schwer einsetzen.

Bei dem oben als Beispiel erwähnten Fall des sogenannten stereoskopischen Fernsehapparats werden Lichtverschlüsse oder in Verbindung damit einzusetzende sogenannte Stereogläser verlangt, die u. a. im strukturellen Aufbau kompakt

sein müssen, damit sie sich in genauer Synchronisierung mit dem zur Betrachtung durch das linke und das rechte Auge des Beobachters auf dem Bildschirm erscheinenden Fernsehbildteilen betreiben lassen und insbesondere auch Verzögerungsfrei

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ansprechen können. -Mit den bisher bekannten mechanischen Lichtverschlüssen lassen sich diese Anforderungen jedoch nur schwer befriedigen.

In den letzten Jahren sind daher Versuche unternommen worden, mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Lichtverschlüsse zu entwickeln, die elektrooptische Effekte ausnutzen, und es sind in diesem Zusammenhang bisher schon eine Reihe elektrooptischer Lichtverschlüsse vorgeschlagen worden. Ein Beispiel für eine solche vorgeschlagene Einrichtung stellt ein elektrooptischer Lichtverschluß derart dar, die mit dem elektrooptischen "Lateral'-Effekt (Transversalmodus) arbeitet, wie ihn ein Mischkristall-Keramikmaterial zeigt. Dieser vorgeschlagene elektrooptische Lichtverschluß enthält eine dünne Platte aus Mischkristall-Keramikmaterial wie beispielsweise aus Blei-Lanthan-Zirkon-Titan-Oxyd. Auf einer Oberfläche dieser dünnen Platte ist ein Paar von Elektroden aus elektrischleitendem Material vorgesehen, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das in einer Richtung in der Ebene der dünnen Platte verläuft, und diese dünne Platte mit den aufgebrachten Elektroden ist zwischen ein Paar von Polarisatoren angeordnet. Bei diesem elektrooptischen Verschluß wird an die Elektroden auf der dUnnenjPlatte eine geeignete Spannung angelegt, um in der dünnen Platte aus Mischkristall-Keramikmaterial ein elektrisches Feld zu erzeugen, das in einer zur Plattenoberfläche parallelen Richtung verläuft, und anschließend wird die angelegte Spannung wieder weggenommen, um das elektrische Feld zum Verschwinden zu bringen. Die dünne Platte aus Mischkristall-Keramikmaterial wird also alternierend in einen ersten oder Betriebszustand versetzt, in dem ein elektrisches Feld daran anliegt, und in einen zweiten oder Ruhe-

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- ir -

zustand, in dem das angelegte elektrische Feld auf den Wert Null vermindert oder entfernt ist, um so eine alternierende Aufeinanderfolge von Lichtdurchgang und Lichtunterbrechung für diesen Lichtverschluß zu erhalten.

Mit anderen Worten ausgedrückt benutzt also dieser elektro-optische Lichtverschluß den sogenannten Lateral-Effekt, den ein Mischkristall-Keramikmaterial wie Blei-Lanthan-Zirkon-Titan-Oxyd (PLZT) neben verschiedenen anderen elektrooptischen Effekten zeigt, dazu, in der dünnen Platte aus Mischkristall-Keramikmaterial alternierend einen Zustand, in dem Doppelbrechung existiert, und einen Zustand, in dem keine solehe Doppelbrechung existiert, zu erzeugen, wobei der jeweilige Zustand der dünnen Platte davon abhängt, ob daran ein senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes und damit parallel zur Oberfläche der dünnen Platte aus Mischkristall-Keramikmaterial gerichtetes elektrisches Feld angelegt wird odezfiicht, wodurch sich die alternierende Aufeinanderfolge von Lichtdurchgang und Lichtunterbrechung elektrisch steuern läßt.

Ein derartiger elektrooptischer Verschluß zeichnet sich durch verschiedene hervorragende Vorteile aus, unter anderem auch dadurch, daß er sich in sehr kompakter Form bauen läßt, daß er zufriedenstellend auf einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb anspricht und daß er leicht mit anderen Bauteilen eines damit ausgestatteten optischen Geräts synchronisiert werden kann. Jedoch leidet auch dieser elektrooptische Lichtverschluß wie alle anderen bisher entwickelten elektrooptischen Lichtverschlüsse unter dem Mangel, daß das erzielbare Kontrastverhältnis, also das erzielbare Verhältnis zwischen der bei offenem Verschluß durchgelassenen Lichtmenge und der den geschlossenen Verschluß noch passierenden Lichtmenge, kleiner ist als benötigt, und dies stellt insofern

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einen gravierenden Fehler dar, als gerade dieses Kontrast-Verhältnis eine der wichtigsten Eigenschaften ist, die ein solcher Lichtverschluß zeigen muß. Außerdem ist nachteilig, daß die für den Betrieb dieses elektrooptischen Lichtverschlusses erforderliche Spannung sehr hoch ist, sie liegt in der Größenordnung von 500 bis 1000 Volt. Insbesondere aus diesen Gründen haben sich die bisher entwickelten elektrooptischen Lichtverschlüsse in der Praxis nicht durchsetzen können.

Der vorliegenden Erfindung liegen nun ausgedehnte Untersuchungen und Studien der Anmelderin zugrunde, die aus dem Bemühen resultieren, ein Mischkristall-Keramikmaterial zu finden, das mit einer kleineren Betriebsspannung als bisher für den Betrieb eines elektrooptischen Lichtverschlusses der oben erwähnten Art auskommen kann. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und Studien der Anmelderin haben klargestellt, daß der Zustand, in dem Doppelbrechung vorliegt, und der Zustand, in dem keine Doppelbrechung vorliegt, wie dies oben beschrieben ist, im wesentlichen dann auftritt, wenn die Phase eines Mischkristall-Keramikmaterials eine ferroelektrische Phase (PE-Phase) ist bzw. wenn diese Phase eine nichtferroelektrische Phase (NPE-Phase) ist. Es ist daher vorzuziehen, ein Mischkristall-Keramikmaterial zu wählen, das ein solches Verhalten zeigt, daß darin als Ergebnis einer Polarisation infolge der Anlage eines elektrischen Feldes eine PE-Phase induziert wird, während sich als Folge des Verschwindens der Polarisation infolge der Wegnahme des äußeren elektrischen Feldes die ursprüngliche NFE-Phase wieder ausbildet.

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Ein Mischkristall-Keramikmaterial mit einem derartigen Verhalten ist nichts weiter als ein Material, das eine sogenannte doppelte Hysteresecharakteristik zeigt, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Darstellung in Fig. 1 zeigt, daß die charakteristische Kurve für den Zusammenhang zwischen dem Polarisationsgrad D und der elektrischen Feldstärke E, wie sie sich bei Anlage eines elektrischen Wechselfeldes beobachten läßt, ein Paar von Hystereseschleifen enthält, die in Abhängigkeit von der Anlage eines positiven bzw. eines negativen elektrischen Feldes in zueinander entgegengesjetzter Richtung gegeneinander verschoben sind.

Weiter hat die Anmelderin ausgedehnte Untersuchungen angestellt, um herauszufinden, wie sich das oben bezeichnete Verhalten in einem Mischkristall-Keramikmaterial erhalten lassen könnte. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen haben gezeigt, daß ein fUr diesen Zweck geeignetes Mischkristall-Keramikmaterial eine Zusammensetzung aufweisen sollte, bei der eine FE-Phase und eine NFE-Phase längs einer morphotropen Phasengrenze (MPB) zusammentreffen. Ein derartiges Keramikmaterial ist dann unter solchen Bedingungen zu betreiben, daß die Anlage eines elektrischen Feldes daran einen erzwungenen Übergang von der NFE-Phase zur FE-Phase bewirkt. Auf der Grundlage dieser Untersuchungsergebnisse ist von der Anmelderin die japanische Patentanmeldung hinterlegt worden, wobei hinsichtlich der Einzelheiten von deren Inhalt auf die JA-AS 153 897/75 verwiesen werden kann.

In der JA-AS I53 897/75 ist als praktisches Beispiel für ein Mischkristall-Keramikmaterial, das sich mit einer relativ niedrigen Betriebsspannung betreiben läßt, ein der chemischen Formel (Pb_o,₉21^LaO,O79) ^(ZrO,7O^TiO,3O^O,98°3 entsprechendes Oxyd angegeben, fUr das im folgenden die Abkürzung PLZP-7,9/70/30 verwendet werden soll. Dieses

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Keramikmaterial wird vorzugsweise angewandt, da sich bei ihm der erzwungene Übergang von der NFE-Phase zur FE-Phase durch die Anlage einer relativ niedrigen Spannung an das Material erreichen läßt und die ursprüngliche NFE-Phase durch bloße Wegnahme der angelegten Spannung und Kurzschließen der entsprechenden Elektroden wieder hergestellt werden kann.

Die oben erwähnte japanische Patentanmeldung beschreibt lediglich ein Anzeigeelement, das mit der Erscheinung einer Lichtstreuung infolge des longitudinalen Effekts arbeitet, den Mischkristall-Keramikmaterialien neben vielen anderen elektrooptischen Effekten zeigen. Die in dieser Anmeldung angegebenen Mischkristall-Keramikmaterialien und ebenso die darin niedergelegten Betriebsbedingungen lassen sich jedoch auch auf einen Lichtverschluß anwenden, der die Erscheinung der Doppelbrechung infolge des "Lateral"-Effekts ausnutzt.

Die Anmelderin hat nun Anstrengungen unternommen, ein solches Mlschkristall-Keramikmaterial, das sich mit niedriger Betriebsspannung betreiben läßt, für den Bau eines Lichtverschlusses einzusetzen. Im Zuge der entsprechenden Experimente wurde eine dünne Platte aus einem Mischkristall-Keramikmaterial der Zusammensetzung PLZT-7»9/70/30 hergestellt und nach der Aufbringung eines Paares von Elektroden auf jeder Oberfläche dieser Platte zwischen ein Paar von Polarisatoren angeordnet, so daß sich ein Lichtverschluß mit einer Struktur ergab, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. An die Elektroden auf der dünnen Platte wurde dann in der offenen oder Betriebsstellung für diesen Verschluß eine vorbestimmte Spannung angelegt, und in der geschlossenen oder Ruhestellung

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des Verschlusses wurde diese Spannung weggenommen, wobei sich eine alternierende Aufeinanderfolge von Lichtdurchgang und Lichtunterbrechung ergab. Die Ergebnisse dieser Experimente bewiesen, daß dieser zu Versuchszwecken hergestellte Lichtverschluß wie erwartet mit einer niedrigen Betriebsspannung in der Größenordnung von 350 Volt bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit betrieben werden konnte. Jedoch ließ sich die durch diesen Verschluß in seiner geschlossenen Stellung hindurchgehende Lichtmenge nicht auf einen akzeptablen Wert vermindern, und es konnte häufig kein befriedigendes Kontrastverhältnis erzielt werden, wenn die Betriebstemperatur niedrig lag. Auch bei Zimmertemperatur war das Kontrastverhältnis dieses Verschlusses im Vergleich zu dem von mechanischen Verschlüssen vergleichsweise klein, und es lag im Höchstfalle nur bei Werten zwischen etwa 7 und 10. Mit einem derart kleinen Kontrastverhältnis läßt sich nun aber bei einem Einsatz eines solchen Lichtverschlusses bei den oben erwähnten stereoskopischen Fernsehapparaten kein hinreichend deutliches dreidimensionales Bild beobachten.

Es ist daher das hauptsächliche Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten elektrooptischen Lichtverschluß zuschaffen, der eine erhebliche Erhöhung des Kontrastverhältnisses zu erreichen gestattet, ohne daß dadurch die anderen oben erwähnten Vorteile der Lichtverschlüsse dieser Art beeinträchtigt werden.

Ein erstes wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung zur Erreichung dieses Zieles besteht nun darin, daß bei einem elektrooptischen Verschluß, der den bei Mischkristall-Keramikmaterialien unter verschiedenen anderen elektrooptischen

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Effekten auftretenden "Lateral"-Effekt dazu ausnutzt, eine alternierende Aufeinanderfolge von Lichtdurchgang und Lichtunterbrechung, also ein Alternieren von Betriebsstellung und Ruhestellung, zu erreichen, an das Mischkristall-Keramikmaterial in der Ruhestellung des Verschlusses eine zweite elektrische Spannung angelegt wird, die der in der Betriebsstellung des Verschlusses anliegenden ersten elektrischen Spannung in ihrer Polarität entgegengesetzt ist und einen kleineren Absolutwert als diese erste elektrische Spannung aufweist.

Ein zweites wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht auch darin, daß ein Mischkristall-Keramikmaterial solcher Zusammensetzung ausgewählt wird, daß darin eine ferroelektrisch^ Phase (FE-Phase) und eine nichtferroelektrische Phase (NPE-Phase) längs einer morphotropen Phasengrenze (MPB) aneinander grenzen.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter elektrooptischer Lichtverschluß mit den oben erwähnten Merkmalen läßt sich mit einer niedrigen Betriebsspannung betreiben, ergibt ein großes Kontrastverhältnis und eignet sich für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform für die Erfindung verstehen, wobei diese Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu lesen ist, in der

Fig. 1 eine graphische Darstellung des bei einem im Rahmen der Erfindung vorzugsweise verwendeten Mischkristall-Keramikmaterial zu beobachtenden Zusammen-

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hanges zwischen dem Polarisationsgrad D in diesem Material und der daran angelegten elektrischen Feldstärke E,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten strukturellen Aufbaus für einen elektrooptischen Lichtverschluß gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Zusammenhanges zwischen der Intensität I des durchgelassenen Lichtes und der Feldstärke E des angelegten elektrischen Feldes bei einem elektrooptischen Lichtverschluß gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der für den Betrieb des dargestellten elektrooptischen Verschlusses gemäß der Erfindung verwendeten elektrischen Spannung,

Fig. 5 ein bevorzugtes AusfUhrungsbeispiel für die Anordnung der Elektroden bei einem elektrooptischen Lichtverschluß gemäß der Erfindung und

Fig. 6 das Schaltbild einer bevorzugten AusfUhrungsform für eine zum Betriebe eines elektrooptischen Lichtverschlusses gemäß der Erfindung verwendete Spannungsquelle zeigen.

Die Darstellung in Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer bevorzugten AusfUhrungsform für einen erfindungsgemäß ausgebildeten elektrooptischen Lichtverschluß. Der in Fig. dargestellte Lichtverschluß weist ein Paar Polarisatoren und 22 und eine dazwischen angeordnete dünne Platte 23 aus Mischkristall-Keramikmaterial auf. Der dargestellte Lichtverschluß gehört zu dem Typ, bei dem ein an die dünne Platte 23 aus Mischkristall-Keramikmaterial angelegtes elektrisches Feld variiert wird, um die Polarisationsebene

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für das durch den ersten Polarisator 21 hindurchgegangene Licht zu drehen, wodurch sich eine Steuerung der durch den zweiten Polarisator 22 hindurchgehenden Lichtmenge erreichen läßt.

Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Polarisationsebenen in den beiden Polarisatoren 21 und 22 senkrecht zueinander. Auf einer Oberfläche der dünnen Platte 23 aus Mischkristall-Keramikmaterial sind zwei kammfb'rmige Elektroden 24 und 25 aus elektrischleitendem Material in einer solchen gegenseitigen Lage angeordnet, daß sich die einander entsprechenden Zähne der Elektroden 24 und 25 in einer zur Oberfläche der Platte parallelen Ebene gegenüberstehen. Desweiteren ist bei diesem AusfUhrungsbeispiel auf der anderen Oberfläche der dünnen Platte 23 aus Mischkristall-Keramikmaterial ein weiteres Paar von kammförmigen Elektroden 24' und 25' in völlig analoger Weise zu den Elektroden 24 und 25 angeordnet, wie dies im einzelnen in Fig. 5 dargestellt ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß diese zweiten Elektroden 24' und 25' auf der zweiten Oberfläche der Platte für die Funktionsweise der Erfindung nicht unbedingt erforderlich sind und daher nicht in jedem Falle vorgesehen zu sein brauchen. Die Elektroden 24 und 24' sind an einem Anschluß 26 miteinander verbunden, während die Elektroden und 25' an einem zweiten Anschluß 27 miteinander vereinigt sind. Mit den Anschlüssen 26 und 27 ist eine Spannungsquelle 28 verbunden, die über die Anschlüsse 26 und 27 an die damit verbundenen Elektroden 24 und 24' bzw. 25 und 25' eine Spannung V anlegt, so daß sich in der dünnen Platte aus Mischkristall-Keramikmaterial ein elektrisches Feld ergibt, das in einer zur Oberfläche der Platte 23 parallelen Richtung verläuft.

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Das für die Herstellung der dünnen Platte 23 verwendete Mischkristall-Keramikmaterial weist eine solche Zusammensetzung und eine solche Temperaturcharakteristik auf, daß eine ferroelektrische Phase (FE-Phase) und eine nichtferroelektrische Phase (NFE-Phase) über eine morphotrope Phasengrenze (MPB) aneinander angrenzen und als Reaktion auf die Anlage eines elektrischen Lateralfeldes von vorgegebener Größe an das Keramikmaterial unter passenden Temperaturbedingungen ein erzwungener Übergang von der NFE-Phase zur FE-Phase eintreten kann, wie dies oben beschrieben ist. Ein mögliches Beispiel für ein solches Keramikmaterial ist PLZT-7,9/70/30, wie dies ebenfalls bereits oben erwähnt ist.

In Reaktion auf die Anlage der Spannung V an die Anschlüsse 26 und 27 ergibt sich in dem Lichtverschluß mit der oben beschriebenen Struktur bei passender Größe der Spannung V ein elektrooptischer "Lateral"-Effekt in der dünnen Platte 23 aus Mischkristall-Keramikmaterial, und dieser Effekt wirkt sich so aus, daß die Polarisationsebene für das durch den ersten Polarisator 21 hindurchgegangenen Anteil des einfallenden Lichtes 20 gedreht wird. Da die Polarisationsebene für den zweiten Polarisator 22 senkrecht zu der für den ersten Polarisator 21 verläuft, weist die Menge des durch den zweiten Polarisator 22 hindurchgegangenen und aus diesem austretenden Lichtes 29 bei einem Drehwinkel von 0° für die Polarisationsebene in der dünnen Platte ein Minimum und bei einem Drehwinkel von 90° für die Polarisationsebene in der dünnen Platte 23 ein Maximum auf. Durch eine Variation der an die Elektroden 24 und 24' einerseits und 25 und 25' andererseits auf der dünnen Platte 23 angelegten Spannung V zwischen zwei geeigneten Werten und die

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dadurch erreichte Umschaltung des Drehwinkels von 0° auf 90 und umgekehrt läßt sich daher ein Wechsel zwischen Lichtdurchlässigkeit und Lichtunterbrechung und damit die Punktionsweise eines Lichtverschlusses erreichen.

Bei einem Lichtverschluß mit dem in Fig.2 dargestellten Aufbau und einer unter Verwendung von PLZP-7»9/70/30 als Mischkristall-Keramikmaterial hergestellten dünnen Platte wurde die an die Anschlüsse 26 und 27 angelegte Spannung V alternierend variiert, um den Zusammenhang zwischen der Intensität I des durch den zweiten Polarisator 22 hindurchgehenden und aus diesem austretenden Lichtes 29 einerseits und der elektrischen Feldstärke E des in der dünnen Platte aus Mischkristall-Keramikmaterial anliegenden Feldes andererseits zu ermitteln. Als Ergebnis wurde dabei die in Fig.3 dargestellte I/E-Kennlinie erhalten. Die Darstellung in Fig. 3 läßt erkennen,daß noch eine erhebliche Lichtmenge, wie sie in Fig.3 durch einen Punkt P angedeutet ist, in der geschlossenen oder Ruhestellung des L ichtverschlusses durch den zweiten Polarisator 22 hindurchgeht, wenn in dessen offener oder Betriebsstellung an der dünnen Platte 23 aus Mischkristall-Keramikmaterial eine Spannung von vorgegebener Größe anliegt und diese Spannung dann in der geschlossenen oder Ruhestellung des Verschlusses auf den Wert Null reduziert wird. Dies bedeutet aber, daß auch in der geschlossenen oder Ruhestellung des Lichtverschlusses der Durchtritt einer erheblichen Lichtmenge erfolgt. Diese Erscheinung rührt daher, daß eine bloße Verminderung der in der Betriebsstellung anliegenden Spannung auf den Wert Null in der Ruhestellung des Verschlusses nicht hinreicht, um die in dem Mischkristall-Keramikmaterial der dünnen Platte 23 noch vorhandene Polarisation völlig zu beseitigen.

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Dagegen haben die Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, daß die Menge des durchgehenden Lichtes, also der Lichtdurchtritt, in der geschlossenen oder Ruhestellung des Verschlusses dann auf einen sehr kleinen Wert, wie er in Fig.5 durch einen Punkt Q angedeutet ist, vermindert werden kann, wenn in der Ruhestellung des Verschlusses an die dünne Platte 23 aus Mischkristall-Keramikmaterial eine Spannung angelegt wird, deren Polarität der in der Betriebsstellung des Verschlusses an der Platte 23 anliegenden Spannung entgegengesetzt ist und deren Absolutbetrag kleiner ist als der der im Betriebszustand anliegenden Spannung. Diese Wirkung läßt sich deswegen erzielen, weil die Anlage einer Spannung von entgegengesetzter Polarität an die dünne Platte 23 aus Mischkristall-Keramikmaterial sich dahingehend auswirkt, daß die vollständige Beseitigung der in diesem Keramikmaterial noch vorhandenen Polarisation gefördert wird. Von der Anmelderin angestellte Experimente haben ergeben, daß der Pegel - der Absolutwert für diese in der Ruhestellung des Verschlusses anzulegende Spannung von entgegengesetzter Polarität vorzugsweise 10 bis 20 % des Pegels - des Absolutwerts - der im Betriebszustand des Verschlusses anliegenden Spannung betragen sollte, um die Menge des im geschlossenen Zustand des Verschlusses durchgehenden Lichtes auf ein Minimum zu bringen und damit das KontraBtverhältnis für den Verschluß optimal zu verbessern.

Der Zweck der Anlage einer Spannung von entgegengesetzter Polarität in der geschlossenen oder Ruhestellung des Verschlusses liegt darin, die in dem Mischkristall-Keramikmaterial der dünnen Platte 23 noch verbliebene Polarisation

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vollständig zu beseitigen. Es ist daher nicht nötig, eine solche Spannung von entgegengesetzter Polarität während der gesamten Zeitdauer, in der der Verschluß in seiner geschlossenen oder Ruhestellung gehalten werden soll, kontinuierlich anzulegen, und es reicht aus, diese Spannung von entgegengesetzter Polarität mit einem hinreichenden Pegel nur während eines Teils dieserZeitspanne und vorzugsweise am Beginn dieser Zeitspanne anzulegen. Mit anderen Worten ausgedrückt braucht eine solche Spannung von entgegengesetzter Polarität mit einem hinreichenden Pegel für die vollständige Beseitigung der noch verbliebenen Polarisation in dem Mischkristall-Keramikmaterial nur kurzfristig angelegt zu werden, und nach erfolgreicher Beseitigung der Restpolarisation kann die Größe dieser angelegten Spannung auf den Wert Null reduziert werden.

Die vorliegende Erfindung basiert auf den oben beschriebenen Ergebnissen und kennzeichnet sich dadurch, daß die von der Spannungsquelle 28 her an die Anschlüsse 26 und 27 angelegte Spannung V in einer Weise variiert wird, wie sie in Fig. 4 veranschaulicht ist. Die Darstellung in Fig. zeigt, daß während der offenen oder Betriebsperiode '*". , des Verschlusses eine für den Verschlußbetrieb optimal geeignete positive Spannung +V, angelegt wird, an deren Stelle während der geschlossenen oder Ruheperiode ϊ₂ des Verschlusses eine negative Spannung -V₂ an den Anschlüssen 26 und 27 tritt, deren Absolutbetrag \v_o\ kleiner ist als der

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V,j der ersten Spannung V. . Das Verhältnis

I Vg J/ (V.J zwischen den Absolutwerten der beiden Spannungen -Vp und +V, liegt wie oben beschrieben bevorzugt zwischen 0,1 und 0,2. Wenn die an der dünnen Platte 2j5 aus Mischkristall-Keramikmaterial anliegende Spannung V in dieser Weise varitrt wird, erfährt das durch den ersten Polarisator 21

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hindurchgegangene Licht während der offenen oder Betriebsperiode t, des Verschlusses in der dünnen Platte 23 aus Misehkrista11-Keramikmaterial vor seinem Durchgang durch den zweiten Polarisator 22 eine Drehung seiner Polarisationsebene um genau 90 , während der geschlossenen oder Ruheperiode t des Verschlusses erfährt das durch den ersten Polarisator 21 hindurchgegangene Licht jedoch keine Drehung seiner Polarisationsebene in der dünnen Platte 23. Als Folge davon wird die Intensität des durch den zweiten Polarisator 22 hindurchgehenden und aus diesem austretenden Lichtes 29 bei geschlossener oder Ruhestellung des Verschlusses auf ein Minimum reduziert.

Bei einem für experimentelle Zwecke gebauten und praktisch eingesetzten Verschluß wurde für die Herstellung der dünnen Platte 23 als Mischkristall-Keramikmaterial PLZT-7,9/70/30 verwendet, und die einander gegenüberstehenden Zähne der auf diese dünne Platte 23 aufgebrachten kammförmigen Elektroden 24 und 25 wiesen einen gegenseitigen Abstand von 0,7 mm auf. Beim praktischen Arbeiten mit diesem Experimentalverschluß ergab sich, daß der optimal geeignete Wert für die während der offenen oder BetriebsPeriode t anzulegende positive Spannung +V, einen Wert von +350 Volt aufwies, während der Optimalwert für die während der geschlossenen oder Ruheperiode T₂ anzulegende Spannung -V₂ eine Größe von -35 Volt besaß. Das erreichbare Kontrastverhältnis, also das Verhältnis zwischen der während der Betriebsperiode V-, durch den Verschluß hindurchgehenden Lichtmenge und der den Verschluß während der Ruheperiode V passierenden Lichtmenge, lag in diesem Falle zwischen 28 und 37· Im Gegensatz dazu ließ sich nur ein Kontrastverhältnis zwischen 7 und 10 erreichen, wenn während der Betriebsperiode T, eine Spannung

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von +350 Volt angelegt wurde und diese Spannung in der bisher üblichen Weise während der Ruheperiode %~ auf den Wert Null reduziert wurde.

Gemäß der oben beschriebenen Erfindung wird an die dünne Platte 23 aus Mischkristall-Keramikmaterial während der geschlossenen oder Ruheperiode des Verschlusses eine zweite Spannung angelegt, die in ihrer Polarität der während der offenen oder Betriebsperiode des Verschlusses anliegenden ersten Spannung entgegengesetzt ist und einen kleineren Absolutbetrag als diese erste Spannung aufweist, der vorzugsweise nur etwa 10 bis 20 % des Absolutbetrages der ersten Spannung ausmacht. Die Anlage einer derartigen zweiten Spannung ist insofern von bemerkenswerter Auswirkung, als dadurch die Intensität des Lichtdurchtritts während der geschlossenen oder Ruheperiode des Verschlusses auf etwa 1/4 der Lichtintensität reduziert werden kann, die von den nach den bisher bekannten Stande der Technik ausgebildeten und betriebenen Lichtverschlüssen in deren geschlossener oder Ruheperiode durchgelassen wird, bei denen in dieser Periode die angelegte Spannung lediglich auf den Wert Null reduziert ist. Dementsprechend läßt sich mit Hilfe der Erfindung ein etwa viermal größeres Kontrastverhältnis als bei den bisher bekannten Lichtverschlüssen erhalten. Die Anlage der zweiten Spannung von entgegengesetzter Polarität während der geschlossenen oder Ruheperiode des Verschlusses, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, wirkt sich weiter auch insofern günstig aus, als sie das Verschwinden der in der dünnen Platte aus Mischkristall-Keramikmaterial verbleibenden Restpolarisation beschleunigt und dadurch einen rascheren Übergang des Verschlusses von seiner Betriebsstellung in seine Ruhestellung gestattet und auf diese Weise

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das Ansprechverhalten des Verschlusses verbessert. Die Erfindung schafft damit einen sehr brauchbaren elektrooptischen Lichtverschluß, der sich mit niedriger Spannung betreiben läßt, ein hohes Kontrastverhältnis zeigt und sich für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb eignet.

In praktischer Anwendung der Erfindung ist es der Anmelderin gelungen, mit Hilfe erfindungsgemäß ausgebildeter Verschlüsse einen sogenannten stereoskopischen Fernsehapparat zu bauen. Bei einem solchen Fernsehapparat dient ein Paar von stereoskopischen Gläsern, von denen jedes mit einem Lichtverschluß der oben erwähnten Bauart ausgestattet ist, zur Betrachtung der Fernsehbilder, die alternierend für das linke und das rechte Auge des Beobachters auf einem einzigen Bildschirm angeboten werden, so daß der Beobachter auf diesem Bildschirm ein dreidimensionales oder Stereobild sieht. Genauer gesagt werden die vom linken und rechten Beobachterauge zu betrachtenden Bilder auf dem Schirm einer einzigen Kathodenstrahlröhre um Intervalle von jeweils einem Bild einer Fernsehszene alternierend, also in ZeitIntervallen von 17 ms, wiedergegeben. Wenn das vom linken Auge des Betrachters zu beobachtende Bild auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre erscheint, wird der Lichtverschluß im Stereoglas für das linke Auge geöffnet, während sich der LichtVerschluß im Stereoglas für das rechte Auge synchron mit der alternierenden Bildanzeige schließt, und umgekehrt wird während der Wiedergabe des für eine Betrachtung durch das rechte Beobachterauge bestimmten Bildes auf den Schirm der Kathodenstrahlröhre der Lichtverschluß im stereoskopischen Glas für .das rechte Auge geöffnet, und der LichtVerschluß im Stereoglas für das linke Auge schließt sich, so daß der Beobachter auf dem Schirm dank

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des Nachbildeffektes in seinen Augen ein dreidimensionales oder stereoskopisches Bild wahrnimmt.

Bei den bisher bekannten elektrooptischen Lichtverschlüssen dagegen ist wie bereits oben beschrieben die während deren geschlossener oder Ruhestellung durch die Verschlüsse hindurchtretende Lichtmenge von erheblicher Größe. Die Anwendung von stereoskopischen Gläsern unter Verwendung dieser bekannten Lichtverschlüsse für die Zwecke einer Stereobildbetrachtung stößt daher insofern auf Schwierigkeiten, als dabei der Betrachter auch mit seinem linken Auge nur für eine Betrachtung durch sein rechtes Auge bestimmte Bilder und mit seinem rechten Auge auch nur für eine Betrachtung durch sein linkes Auge bestimmte Bilder wahrnimmt, womit im Ergebnis die Wahrnehmung eines hinreichend ausgeprägten Stereo- oder Raumbildes unmöglich wird.

Im Gegensatz hierzu ist die Menge des in der geschlossenen oder Ruhestellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Lichtverschlusses durch diesen hindurchtretenden Lichtes sehr klein, und daher kann mit Hilfe von stereoskopischen Bildern unter Verwendung erfindungsgemäß ausgebildeter Lichtverschlüsse auf dem Bildschirm ein bemerkenswert ausgeprägtes Stereobild wahrgenommen werden, ohne daß sich dabei Störungen durch eine Bildvermischung ergeben können, wie sie bei stereoskopischen Gläsern unter Verwendung der bisher bekannten Bildverschlüsse auftreten.

In Fig. 6 ist eine praktische Ausführungsform für den elektrischen Aufbau der Spannungsquelle 28 für einen erfindungsgemäß ausgebildeten elektrooptischen Lichtverschluß dargestellt. Die in Fig.6 gezeigte Schaltung ist so aufgebaut,

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daß sie auch die notwendige Spannung für den Betrieb von Lichtverschlüssen liefern kann,wie sie in der oben erwähnten paarweisen Anordnung von linken und rechten stereoskopischen Gläsern für eine stereoskopische Fernsehbildbetrachtung vorzusehen sind. In Fig. 6 wird von außen an einem Anschluß 61 eine Gleichspannung +V™ zugeführt, und weiter liegen an Eingangsanschlüssen 62 und 6j> Triggerimpulse mit einander jeweils entgegengesetzter Phase an, die zur Steuerung der öffnungs- und Schließzeiten für den Lichtverschluß dienen. Diese Triggerimpulse weisen eine Rechteckform auf, wie sie für die Steuerung des Verschlußbetriebes während der offenen und geschlossenen Perioden des Verschlusses am zweckmäßigsten und günstigsten ist. An zwei Ausgangsanschlüssen 64 und 64' erscheint in Fig. 6 eine Ausgangsspannung mit einer Wellenform, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, und zwei weitere Ausgangsanschlüsse 65 und 65' in Fig. 6 führen eine weitere Ausgangsspannung, deren Phase gegenüber der der Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen 65 und 65' genau invers ist. Wenn daher ein elektrooptischer Verschluß an die AusgangsanschlUsse 64 und 64' angeschlossen ist und ein weiterer elektrooptischer Verschluß mit den Ausgangsanschlüsaen 65 und 65' verbunden ist, so werden diese beiden elektrooptischen Verschlüsse alternierend zueinander geöffnet und geschlossen. Die während der offenen oder Betriebsperiode ^₁ anliegende Spannung +V, in der in Fig. 4 gezeigten Wellenform für die Ausgangsspannung wird durch die am Anschluß 6l in Fig. 6 zugeführte Gleichspannung +V_DC bestimmt, während die während der geschlossenen oder Ruheperiode fp anliegende Spannung -V durch das Verhältnis zwischen der Größe von Widerständen 67 und 69 in Fig. 6 bestimmt wird. Die an den Ausgangsanschlüssen und 65' erscheinende negative Ausgangsspannung -Vg wird

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durch das Verhältnis zwischen der Größe von Widerständen 66 und 68 in Fig. 6 bestimmt. Das an den von der Schaltung nach Fig. 6 betriebenen LichtverschiUssen feststellbare Kontrastverhältnis ist größer als 30, wenn das Größenverhältnis für jede der oben erwähnten Widerstandskombinationen zwischen 10:1 bis 10:3 gewählt ist. Wenn das oben angegebene Widerstandsverhältnis zu groß bemessen wird, dann wird der Absolutwert Jv₂ I der während der geschlossenen oder Ruheperiode fp des Lichtverschlusses anliegenden Spannung -V₂ zu klein, um die gewünschte rasche Verminderung des Lichtdurchtritts zu erreichen. Umgekehrt läßt sich in analoger Weise die gewünschte Verminderung der Intensität des Lichtdurchtritts auch bei einem übermäßig kleinen Wert für dieses Widerstandsverhältnis nicht erzielen. Das Verhältnis zwischen den verschiedenen Widerstandswerten sollte daher zweckmäßig innerhalb des angegebenen Bereichs gewählt werden, wobei noch weitere Bestimmungsfaktoren wie die Zusammensetzung und die Betriebstemperatur des Mischkristall-Keramikmaterials in den Lichtverschlüssen mit in Rechnung zu steL len sind.

Die vorstehend erläuterte AusfUhrungsform für die Erfindung ist unter spezieller Bezugnahme auf eine zueinander senkrechte Lage der Polarisationsebenen für die Polarisatoren 21 und 22 beschrieben worden. Es ist jedoch ohne weiteres einzusehen, daß die beschriebenen Lichtverschlüsse in gleicher Weise und mit der gleichen Wirkung arbeiten können, wenn die Polarisationsebene des zweiten Polarisators 22 parallel zu der Polarisationsebene des ersten Polarisators 21 verläuft. In diesem Falle gestattet der Lichtverschluß einen Lichtdurchgang in seiner Ruhestellung, ist also in dieser seiner Ruhestellung offen, während er den Lichtdurchgang in seiner Betriebsstellung unterbricht, so daß also diese Betriebsstellung die geschlossene Stellung des Lichtverschlusses dar-

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stellt. Auf diese Weise wird die Intensität des Lichtdurchgangs in der Ruhestellung des Lichtverschlusses, also bei offenem Lichtverschluß erhöht, wodurch wiederum die erfindungsgemäß angestrebte und erreichte Verbesserung im Kontrastverhältnis zustande kommt.

Bei dem oben beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist als brauchbares Mischkristall-Keramikmaterial PLZT-7,9/70/30 angegeben, wobei es sich jedoch nur um ein mögliches, wenn auch sehr günstiges Beispiel handelt. In entsprechender Weise lassen sich auch verschiedene andere Mischkristall-Keramikmaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung verwenden, wenn sie nur eine NFE-Phase besitzen, die längs einer morphotropen Phasengrenze an eine PE-Phase angrenzt. So lassen sich ausgezeichnete, den oben beschriebenen Wirkungen vergleichbare Ergebnisse unter Verwendung beispielsweise folgender Verbindungen als Mischkristall-Keramikmaterial erzielen:

(Pb_Oi9l4La_OiO86)(Zr_Oi65Ti_Oi35)_o>98O₃ (üblicherweise abgekürzt als PLZT-8,6/65/35), (Ρ*_Ο,9775^ΙαΟ,Ο225Η^ΖγΟ,915^Τ1Ο,Ο85) 0 994⁰^^¹¹⁰¹¹⁶™⁶¹" abgekürzt als PLZT-2,25/91,5/8,5),

99^

^^b0,9l8^La0,082⁾(^Zr0,70^Ti0,30⁾0,98°3 (üblicherweise abgekürzt als PLZT-8,2/70/30), P*_o,98(^ZrO,6O^SnO.:5:5^TiO,O7>

^^*} und dergleichen.

Hinsichtlich weiterer Beispiele für im Rahmen von erfindungsgemäß ausgebildeten Lichtverschlüssen verwendbare Mischkristall-Keramikmaterialien kann auf die bereits oben erwähnte JA-AS I53 897/75 verwiesen werden.

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Stk

Die vorstehende Beschreibung läßt ohne weiteres erkennen, daß sich erfindungsgemäß ausgebildete elektrooptische Lichtverschlüsse mit ihrem hohen Kontrastverhältnis und der Möglichkeit zum Betriebe mit niedriger Betriebsspannung auch in anderen Arten von optischen Geräten mit Erfolg einsetzen lassen, bei denen eine mit hoher Geschwindigkeit abwechselnde Folge von Lichtdurchgang und Lichtunterbrechung gewünscht oder notwendig ist.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung ein elektrooptischer Lichtverschluß angegeben, der ein Mischkristall-Keramikmaterial für ein abwechselnd zwischen Lichtdurchgang und Lichtunterbrechung verwendet, wobei an dieses Mischkristall-Keramikina t er ial in der Betriebsstellung des Lichtverschlusses eine erste elektrische Spannung angelegt wird, während in der Ruhestellung des Iichtverschlusses an dieses Mischkristall-Keramikmaterial eine zweite elektrische Spannung angelegt wird, die in ihrer Polarität der ersten Spannung entgegengesetzt ist und einen kleineren Absolutwert als diese erste Spannung aufweist. Dabei hat das Mischkristall-Keramikmaterial bevorzugt eine solche Zusammensetzung, daß eine ferroelektrische Phase und eine nichtferroelektrische Phase längs einer morphotropen Phasengrenze aneinander stoßen.

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Claims

Pa t en ta ns priic he

1. Elektrooptischer Lichtverschluß mit einem Paar Polarisatoren, zwischen denen eine dünne Platte aus Mischkristall-Keramikmaterial angeordnet ist, die auf wenigstens einer ihrer Seiten mit einem Paar Elektroden versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (24, 24', 25, 25¹) für die Erzeugung eines in einer in der Ebene der dünnen Platte (23) liegenden Richtung verlaufenden elektrischen Feldes an eine Spannungsquelle (28) anschließbar sind, die daran in der Betriebsstellung des Verschlusses eine erste Spannung mit einem für den Verschlußbetrieb erforderlichen Wert und in deiftuhesteilung des Verschlusses eine zweite Spannung mit der ersten Spannung entgegengesetzter Polarität und einem kleineren Absolutwert anlegt.

2. Lichtverschluß nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das Mischkristall-Keramikmaterial der dünnen Platte (23) eine ferroelektrisch^ Phase (FE) aufweist, die längs einer morphotropen Phasengrenze (MPB) an eine nichtferroelektrische Phase (NFE) angrenzt.

3. Lichtverschluß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Absolutwerten der zweiten und der ersten Spannung zwischen 0,1 und 0,2 gewählt ist.

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ORIGINAL INSPECTED