-
Vorrichtung zur piezo-elektrischen Helligkeitssteuerung eines. Lichtbündels
mittels zur Interferenz gebrachter Strahlen Es sind Vorrichtungen zur piezo-elektrischen
Helligkeitssteuerung eines Lichtbündels bekannt, bei denen zwischen einem Polarisator
und Analysator ein Kristall eingefügt ist, welcher durch Drehung der Polarisationsebene
des Lichtes die sonst von dem Analysator bewirkte Kompensation aufhebt. Es sind
andererseits Vorrichtungen zur Helligkeitssteuerung eines Lichtbündels mittels zu
Interferenz gebrachter Lichtstrahlen bekannt, bei denen das Licht auf Quarzplatten
auffällt. Diese Anordnungen haben den Nachteil, daß das Licht durch die Quarzplatten
in zwei Ebenen polarisiert wird, durch Interferenz jedoch nur diejenigen Strahlen
ausgelöscht werden können, welche in der gleichen Ebene polarisiert sind, so daß
stets eine Mindesthelligkeit bestehen bleibt.
-
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung dieser bekannten Vorrichtungen
zur Helligkeitssteuerung mittels zur Interferenz gebrachter Strahlen und erreicht
dies dadurch, daß das gesamte Licht vor Eintritt in die eine Interferenz bewirkende
Einrichtung mindestens in einer Ebene polarisiert wird. Die Erfindung betrifft eine
piezo-elektrische Helligkeitssteuerung, bei welcher nicht die durch einen Kristall
hervorgerufene Drehung der Polarisationsebene des Lichtes, sondern die durch die
Dickenänderungen des Kristalls hervorgerufene Phasenverschiebung der Lichtstrahlen
zur Erzeugung einer Interferenz ausgenutzt wird. Zur Interferenz gelängt lediglich
polarisiertes Licht, so daß eine vollständige Auslöschung der Lichtstrahlen möglich
ist.
-
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
-
Abb. r zeigt eiri Lichtsteuerorgan zur Modulation eines monochromatischen,
in ein Paar von parallelen Lichtstrahlen aufgeteilten Lichtbündels.
-
Abb. z zeigt ein Lichtsteuerorgan, welches trotz Verwendung farbiger
und modulierter Lichtbündel einen weißen modulierten Lichtfleck ergibt.
-
Abb. 3 zeigt ein Lichtsteuerorgan, welches durch Bildung eines Phasenunterschiedes
zwischen kohärenten Strahlen die Modulation bewirkt.
-
Abb.4 zeigt einen Quarzkristall, welcher vorzugsweise zur Polarisation
und/oder piezoelektrischen Beeinflussung verwendet wird.
-
Wird an einen Quarz (Abb. 4) ein Potential in der X-Richtung angelegt,
so erfolgt eine Deformation durch Verbreiterung oder Verkürzung in der Y-Richtung;
gleichzeitig erfolgt eine Verkleinerung oder Vergrößerung des Elektrodenabstandes.
Die in Y.-Richtung durch den Quarz hindurchtretenden Lichtstrahlen
haben
somit eine größere ' bzw. kleinere Weglänge bei Anlegung eines Potentials an den
Quarz zu durchlaufen, als im Falle wenn kein Potential -angelegt ist. Erfolgt die-Durchstrahlung
in X-Richtung, in welcher.. auch das Feld mittels lichtdurchlässiger ode rahmenförmiger
Elektroden angelegt ist, s6-wird ebenfalls bei Anlegung eines Potentials gegenüber
dem Normalzustand ein Gangunterschied erzeugt. Um über die ganze Ausdehnung einer
Quarzplatte; welche in X- oder Y-Richtung durchstrahlt wird, eine gleichförmige
Dickenänderung bei Potentialanlegung zu erzielen, verwendet man zweckmäßig einen
unter 71' ausgeschnittenen, einen sog. 7 1 ° Quarz.
-
Ein den Quarz in X- oder Y-Richtung durchsetzender Lichtstrahl wird
ferner in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl gespalten und derart
polarisiert, daß die Polarisationsebene des ordentlichen Strahles in Richtung des
Hauptschnittes liegt, die Polarisationsebene des außerordentlichen Strahles jedoch
senkrecht hierzu. Bei Durchsteuerung des ordentlichen Strahles ergibt sich infolge
der Verschiedenheit der Geschwindigkeit von ordentlichem und außerordentlichem Strahl
im Quarz nur eine 98 °/o Aussteuerung des außerordentlichen. Die restlichen z °/o
sind praktisch bei Bildbetrachtung vernachlässigbar.
-
Die in Abb. i dargestellte Vorrichtung verwendet ein Beugungsgitter
G in Gestalt einer Glasplatte mit einer großen Zahl paralleler Striche. Die aus
der Zahl der Striche errechenbare Gitterkonstante des Beugungsgitters G bestimmt
in Verbindung mit der Wellenlänge des das Beugungsgitter durchstrahlenden Lichtes
den Abstand der über eine Sammellinse L auf einen Schirm erzeugten Maxima und Minima
des Beugungsspektrums. Die Linse und das Beugungsgitter G besitzen eine solch kleine
Konstante, daß bei monochromatischem Licht das nullte und erste Spektrum mit geringem
Abstand (etwa 1/g mm) nebeneinander zu liegen kommen. Das Beugungsspektrum nullter
Ordnung wird bei der Vorrichtung nach Abb. 1 ausgeblendet. Auf gleiche Weise kann
zusätzlich eine Ausblendung der übrigen Spektren erfolgen, falls deren praktisch
geringe Helligkeit noch ausgenützt werden soll. Um dieses ausgeblendete Spektrum
zu modulieren und gegebenenfalls völlig auszulöschen, werden den Lichtstrahlen mittels
Quarzen Q1, Q2 andere als durch das Beugungsgitter allein bedingte Gangunterschiede
aufgezwungen. Hierbei wandern die Spektren über die Blende weg. Bei einem zusätzlichen
Gangunterschied von der Größe der halben Lichtwellenlänge liegen die Maxima der
Spektren auf den Stegen des Gitters, d. h. der an dem Blendenspalt B erscheinende
Teil des Spektrums ist jetzt ausgelöscht.
-
Um jede Störung durch schräges Auffallen :,von. Lichtstrahlen auf
das Beugungsgitter G .#i vermeiden und um die Quarze Q1, 02 voll a frksam werden
zu lassen, verwendet die in Abb. 1 gezeigte Vorrichtung eine Optik 0, mittels welcher
parallele Strahlen gebildet werden, welche aufgespalten in zwei Teilbündel S1, S2
bzw. mehrere Lichtbündelpaare, die Quarze Q1, Q2 und das Gitter G durchsetzen. Beispielsweise
kann die aus den Quarzen und dem Beugungsgitter bestehende Einrichtung zwischen
den Linsen O und L eines Kondensors eingebaut werden. Jedes der Teilbündel wird
durch eine Blende B L auf einen bestimmten Bereich begrenzt werden.
-
Jedes Teilbündel Si, S2 von Lichtstrahlen durchsetzt eine Quarzplatte
Q1, Q2. Diese Quarzplattenpaäre sind derart eingesetzt, daß sie das Licht in Ebenen
polarisieren, welche einander entsprechen; vorzugsweise derart, daß einerseits die
ordentlichen Strählen und andererseits die außerordentlichen Strahlen beider Quarze
je in derselben Ebene liegen. Andererseits muß die Bedingung erfüllt sein, daß der
ordentliche und außerordentliche Strahl bei beiden Quarzen mit gleicher oder um
rSo° verschobener Phase austreten; der Phasenunterschied von ordentlichem gegen
den außerordentlichen Strahl bei beiden Quarzen beliebig aber von gleicher Größe
sein muß. Sind mehrere Quarzpaare vorhanden, so brauchen die Polarisationsebenen
und die Phase des Lichtes der verschiedenen Paare nicht übereinzustimmen. Zur Regelung
der Polarisationsebene kann der Quarz um eine Achse parallel zur optischen Achse
des gesamten optischen Systems geschwenkt und zur Regehing der Phase zum Lichtstrahl
geneigt werden.
-
Das Licht, welches die Quarzplatte Q1 oder Q2 durchsetzt, erfährt
innerhalb des Quarzes eine Geschwindigkeitsänderung gegenüber der-Geschwindigkeit
in Luft. Sind die Quarzplatten beide in Ruhe, so addieren sich bei ihrer optischen
Zusammenfassung die Amplitudenwerte. Da das Licht vor oder hinter den Quarzplatten
das Beugungsgitter G durchsetzt, entsteht beispielsweise ein helles nulltes Spektrum
am Blendenspalt B. Macht hingegen der Unterschied in der Dicke der Quarzplatten
eine halbe Wellenlänge aus, d; h. treten die beiden Lichtbündel um eine halbe Wellenlänge
phasenverschoben heraus, so erscheint-ein gegenüber dem eben betrachteten Spektrum
verschobenes Spektrum, derart jedoch, daß im Blendenspalt eine Auslöschung vorhanden
ist.
-
Den Maximalwert für die Hell- bzw.
Dunkelsteuerung
des nullten Spektrums kann man durch Neigen der Quarzplatten gegeneinander und der
hierbei bewirkten Änderung des Lichtweges innerhalb der Quarze einstellen.
-
Bei der in Abb. r gezeigten Vorrichtung ist nur der eine Quarz Q1
mit Elektroden El, E2 belegt; die Durchstrahlung erfolgt in Y-Richtung, könnte aber
auch in X-Richtung erfolgen. Werden beide Quarze Q1, Q2 mit Elektroden belegt und
in gleicher Richtung durchstrahlt, dann sind beide Quarze im Gegentakt zu schalten.
Die Amplitude der Steuerspannungen kann hierbei kleiner sein.
-
Sobald die Elektroden El, F_2 mit Steuerpotential beschickt werden,
tritt infolge der piezo-elektrischen Kräfte eine Deformation des Quarzes Q1 ein,
z. B. wird der Quarz dünner. Die Deformationen sind proportional den angelegten
Spannungswerten und folgen den Spannungswechseln nahezu trägheitsfrei. Bei 7r° Quarzen
ist die Deformation kolbenförmig und über die ganze Ausdehnung der Platte gleichmäßig.
-
Durch Anlegen der Steuerwechselspannung allein an den oberen Quarz
Q1 des Quarzplattenpaares Q1, Q2 wird das Teilbündel S1 derart beeinflußt, daß gegenüber
dem Teilbündel S2 ein Gangunterschied auftritt., Infolge der dabei bewirkten unterschiedlichen
Phasenlage der Lichtwellen tritt bei ihrer Interferenz, d. h. bei der optischen
Wiedervereinigung der gebeugten Strahlen eine Wanderung der Maxima des Beugungsspektrums
auf, derart, daß im Blendenspalt B, welcher zuvor hell war, eine Verdunkelung eintritt,
oder umgekehrt. Die Vorrichtung wird vorzugsweise mit monochromatischem Licht der
Lichtquelle LQ beschickt.
-
Die in Abb. a dargestellte Vorrichtung kann mit bichromatischem Licht
der Lichtquelle LQl beschickt werden, dessen Komponenten derart gewählt sind, daß
bei ihrer optischen Überlagerung weißes Licht erscheint. Für jede farbige Komponente
des Lichtes ist ein besonderes Quarzpaar Q11, Q12 und Q21, Q22 vorgesehen, dem durch
j e einen Filter F1 und F2 nur Lichtstrahlen der zugeordneten Wellenlänge zugeführt
werden. Die Quarze Q11 und Q21 werden mit den Wellenlängen proportionaler Modulationsspannungen
gesteuert. Die Lichtstrahlen werden sodann mittels eines Beugungsgitters G1 und
G2 und einer gemeinsamen Linse L zu einem Spektrum vereinigt, dessen modulierbare
Spektralmaxima nunmehr weiß sind.
-
In entsprechender Weise kann eine Vorrichtung auch zur Steuerung von
trichromatischem Licht o. dgl. ausgebildet werden, welches bei Überlagerung seiner
Komponenten weiß oder eine andere helle bzw. photoempfindliche Farbe ergibt. Ferner
ist es unter Verwendung verschiedener, einzeln gesteuerter Lichtbündel unterschiedlicher
Farbe auch möglich, ein buntes, modulierbares Spektrum zu erhalten. Werden z. B.
in einem Fernsehempfänger die drei Grundfarben des zu empfangenden Bildes einzeln
in entsprechenden Lichtsteuerorganen gleichzeitig mit den dem übertragenen Bild
entsprechenden Spannungswerten moduliert, so erscheint bei der optischen Wiedervereinigung
ein entsprechend buntes nulltes Spektrum des Beugungsgitters. Dieser im Blendenspalt
B sichtbare bunte, modulierte Leuchtfleck kann mit Hilfe gewöhnlicher Zerlegerorgane
unmittelbar zum Aufbau eines bunten Bildes dienen: Bei der in Abb. 3 gezeigten Vorrichtung
wird an Stelle der Beugungserscheinung eines Gitters der Gangunterschied zwischen
den an der Oberfläche und an der Rückseite einer planparallelen Quarzplatte Q reflektierten
Lichtstrahlen ausgenutzt, welcher durch Änderung der Plattendicke verändert werden
bann. Die optische Wiedervereinigung der bei den Reflexionen mit Gangunterschied
austretenden kohärenten Strahlen ergibt je nach ihrer Phasenlage einen hellen oder
dunklen Fleck an dem Blendenspalt B. Die - Veränderung der Dicke der Quarzplatte
Q erfolgt vermittels der an die Elektroden El und E2 angelegten Steuerspannungen
auf piezo-elektrischem Wege. Das durch eine Quarzplatte Q1 kreuzweise polarisierte
Lichtbündel der Lichtquelle LQ trifft auf die geneigte Quarzplatte Q1 .auf. Es wird
teils unmittelbar reflektiert, teils durchsetzt es die Platte Q1 in X-Richtung und
wird an deren Rückseite total reflektiert. Die austretenden, gleichfalls polarisierten
Strahlen werden mittels eines Spiegels Sp und einer Sammeloptik L an eine Stelle
B zusammengefaßt werden und erscheinen dort als modulierter Lichtfleck.
-
Zur Verbesserung des optischen Wirkungsgrades wird zweckmäßig die
Rückseite der Quarzplatte Q1 vollkommen und deren Vorderseite halbdurchlässig verspiegelt.
Die Steuerelektroden El und E2 bedecken dann völlig die Flächen der Quarzplatte
senkrecht, z. B. zur X-Richtung.
-
Die an die Quarzplatte Q1 angelegten Steuerspannungen bewirken eine
Deformation in X- bzw. Y-Richtung solcher Größenordnung, daß zwischen dem an der
vorderen Fläche und dem an der rückseitigen Fläche reflektierten Strahl ein Phasenunterschied
von 1/2 Wellenlänge eintritt. In diesem Falle ist eine fast zoo °loige Modulation
möglich.
-
Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung von Quarz als piezo-elektrische
Mittel beschränkt. Die Erfindung bedingt auch nicht die Ausnutzung des ordentlichen
und des
außerordentlichen polarisierten Lichtstrahles. Erfolge werden
vielmehr auch bei Verwendung nur in einer Richtung polarisierten Lichtes erzielt.
Eine Vorrichtung hierfür kann entsprechend der in Abb. i gezeigten Vorrichtung ausgebildet
sein; nur ist in diesem Falle der Quarz Q2 wegzulassen, und beide Lichtbündel müssen
durch ein hinter der Optik 0 angeordnetes polarisierendes Medium in nur einer Richtung
polarisiert werden.
-
Die Vorrichtungen nach der Erfindung können unmittelbar von den Steuerspannungen
der Empfangsgeräte für Tonfilm oder Fernsehen beeinflußt werden. Sie ergeben proportionale
Lichtänderungen. Nicht lineare Änderungen z. B. für Tonregistriergeräte können mit
Hilfe einer entsprechend gestuften Blendenapparatur erhalten werden.
-
Der erhaltene modulierte Lichtfleck kann je nach der Sammeloptik flächen-,
punkt-oder streifenförmig sein. Die Achse einer zur Bildung eines Lichtstreifens
verwendeten Zylinderoptik braucht keine besondere Lage zu dem Quarz bzw. dem Beugungsgitter
zu haben.