DE69116459T2 - Räumlicher Lichtmodulator und hochdynamische konoskopische Holographievorrichtung unter Verwendung desselben - Google Patents
Räumlicher Lichtmodulator und hochdynamische konoskopische Holographievorrichtung unter Verwendung desselbenInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation und ein System zur konoskopischen Holographie, welches eine derartige Vorrichtung zur Modulation umfaßt.
- Die Vorrichtungen zur räumlichen Lichtmodulation bilden momentan eine der wesentlichen Komponenten der meisten Systeme zur optischen Informationsverarbeitung.
- Unter diesen Komponenten ist eine wesentliche Klasse derselben durch die Vorrichtungen zur räumlichen Lichtmodulation zum optischen Schreiben gebildet, welche es erlauben, ein Eingangslichtfeld oder einen Eingangslichtstrahl in ein Ausgangslichtfeld oder einen Ausgangslichtstrahl umzuwandeln, wobei der Ausgangslichtstrahl eine Kopie der Eingangsinformation oder eines Bildes, welche in dem Eingangslichtstrahl enthalten ist, enthält. Die optischen Eigenschaften des Ausgangslichtstrahls sind dabei derart abgestimmt, daß sie den Anforderungen eines nach einem Modulator angeordneten Systems zur optischen Verarbeitung genügen.
- Für eine detailliertere Beschreibung dieser Komponenten in ihren wesentlichen Eigenschaften wird auf das von NEIL COL- LINGS herausgegebene Werk mit dem Titel "OPTICAL PATTERN RECOGNITION", Kapitel 4, Spatial light modulators / Addison- Wesley Publishing Company ISBN 0 201 14549 9 Bezug genommen.
- In diesem Zusammenhang können die bistabilen optischen Vorrichtungen mit photorefraktivem Kristall zitiert werden, wie sie in dem Dokument EP-A 271 411 beschrieben sind. Bei dieser Art von Vorrichtung ist ein nichtlineares Element (photorefraktives Element) in ein Fabry-Pérot-Interferometer eingefügt. Die beiden stabilen Zustände der Durchlässigkeit entsprechen den diskreten Tangentenberührpunkten einer Geraden und der Durchlässigkeitskennlinie. Diese Art von Vorrichtung arbeitet wie ein System mit zwei stabilen Zuständen, bei der der lineare Bereich oder Steigungsbereich der Kennlinie nicht verwendet wird.
- Bei den Vorrichtungen zur konoskopischen Holographie wird ein zwischen zwei Zirkular-Polarisatoren angeordneter doppelbrechender Kristall mit nicht kohärentem Licht beleuchtet, um ein holographisches Bild des Bildes eines ursprünglichen Objekts zu erhalten. Man kann sich auf allgemeine Weise überlegen, daß die durch den doppelbrechenden Kristall aus dem ursprünglichen Bild erzeugten ordentlichen und außerordentlichen Lichtstrahlen den Objekt- und Referenzlichtstrahlen bei der Holographie mit kohärentem Licht äquivalent sind. Für eine genauere Beschreibung dieser Art von Vorrichtungen wird z.B. auf die im Namen des französischen Staats am 27.12.1988 eingereichte französische Patentanmeldung 88 17225 Bezug genommen.
- Gegenüber den Vorrichtungen zur Holographie mit kohärentem Licht weisen die genannten Vorrichtungen zur konoskopischen Holographie den Vorteil eines vereinfachten Betriebs mit Hilfe von Zirkular-Polarisatoren und einem doppelbrechenden Kristall auf, wobei der Beleuchtungsstrahl ein monochromatischer nicht kohärenter Strahl ist.
- Jedoch erzeugen diese Vorrichtungen einen konoskopischen Bildstrahl, der eine starke Grundkomponente enthält, welche mit der räumlichen Modulation der Amplitude des Eingangslichtstrahls zum Bilden des die Eingangsinformation enthaltenden Bildes verbunden ist. Das Vorhandensein einer derartigen Komponente stellt den Nachteil dar, den Wert des Signal- Rausch-Verhältnisses der entsprechenden Vorrichtungen zur konoskopischen Holographie stark zu beschränken. Tatsächlich kann eine derartige auf die Intensität des Eingangslichtstrahls vor der Bildung des Bildes des durch konoskopische Holographie zu verarbeitenden Objekts zurückführbare Grundkomponente vor oder nach der Verarbeitung durch konoskopische Holographie körperlich nicht unterdrückt werden, wobei jede von einer Umwandlung in entsprechende elektronische Signale gefolgte optische Vorverarbeitung von der Natur ist, die gesuchte, aufgrund der holographischen Verarbeitung erhaltene Information zu stören.
- Es ist ein Ziel der Erfindung, die oben erwähnten Nachteile durch den Einsatz einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation zu beheben, welche es unter einem Eingangsstrahl ermöglicht, den Arbeitspunkt einzustellen und die Grundkomponente des Eingangsstrahls zu reduzieren oder zu unterdrücken, wobei die dynamischen Eigenschaften der Amplitude des übertragenen Eingangsstrahls und eines entsprechenden Leselichtstrahls derart erhalten werden, daß das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Detektion verbessert wird.
- Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation bereitzustellen, bei der der Schreiblichtstrahl durch einen nicht kohärenten Lichtstrahl gebildet werden kann, während der Lesestrahl, im Gegensatz dazu, durch einen kohärenten Lichtstrahl gebildet werden kann, um eine Umwandlung von nicht kohärenter Information in kohärente Information im Hinblick auf eine Rekonstruktion kohärenter Information in Echtzeit zu gewährleisten.
- Die Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Kristall. Sie ist dahingehend bemerkenswert, daß dieser Kristall in dem Resonator einer interferometrischen Vorrichtung angeordnet ist, welche eine Durchlässigkeits-zu-optischer-Weg-Kennlinie mit großer Steigung aufweist, derart, daß eine maximale Änderungsdynamik der genannten Durchlässigkeit bei einer minimalen Änderung des Brechungsindex des Kristalls erreicht wird. Das System wird mit Hilfe eines Schreib-Lichtstrahls beschrieben, welcher den Brechungsindex des Kristalls und somit den optischen Weg ändert, und sie wird durch einen Lese-Lichtstrahl gelesen, welcher durch die Änderung der Durchlässigkeit moduliert wird.
- Die Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung, findet aufgrund der vorangehend erwähnten Möglichkeit, nicht kohärente Information in kohärente Information umzuwandeln, insbesondere zum einen bei der konoskopischen Holographie und zum anderen bei Systemen zur Erkennung von Formen in Echtzeit Anwendung.
- Der Aufbau und die Funktionsweise der Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der Erfindung werden auf detailliertere Weise in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen beschrieben, in welchen:
- - die Figur 1 unter den Punkten a) und b) den allgemeinen Aufbau bzw. die Durchlässigkeits-zu-optischer-Weg-Kennlinie einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der Erfindung darstellt,
- - die Figur 2a im Schnitt entlang einer Symmetrie-Längsebene eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
- - die Figur 2b ebenfalls im Schnitt entlang einer Symmetrie-Längsebene eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
- - Figur 3 eine Gesamtansicht einer Vorrichtung zur konoskopischen Holographie mit großer Dynamik, welche eine Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt, darstellt.
- Eine detailliertere Beschreibung einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun in Verbindung mit der Figur 1 an den Punkten a) und b) derselben gegeben.
- In der dargestellten Figur umfaßt die Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der Erfindung einen mit 1 bezeichneten Kristall. Der Photorefraktiv genannte Kristall 1 kann photobrechend und/oder photochromatisch sein.
- Ein erster, bei einer von dem Kristall absorbierten Wellenlänge λe emittierter Lichtstrahl, der Schreib-Lichtstrahl fe, fällt auf den Kristall. Der Lichtstrahl wird absorbiert und erzeugt durch photorefraktiven oder photochromatischen Effekt Änderungen des Brechungsindex. Ein zweiter Lese-Lichtstrahl fl wird bei einer Wellenlänge λl, bei der der Kristall intrinsisch transparent ist, emittiert und durch ein Interferometer vom Fabry-Pérot-Typ moduliert, dessen Durchlässigkeit eine Funktion der durch den Schreibstrahl fe erzeugten Änderung des Brechungsindex ist.
- Die Tatsache, daß die beiden Strahlen von verschiedener Wellenlänge sind, ermöglicht es somit, sie einfach mit Hilfe dichroitischer Filter oder anderer ähnlicher optischer Elemente zu vereinigen und zu trennen.
- Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt der Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Kristall 1, wie schematisch in Figur 1 dargestellt, in dem Resonator eines interferometrischen Systems 2 angeordnet. Unter Punkt a) der Figur 1 ist das interferometrische System 2 durch zwei halbdurchlässige Wandungen dargestellt, welche den optischen Resonator des oben erwähnten interferometrischen Systems symbolisieren.
- Im allgemeinen kann das interferometrische System durch alle herkömmlichen Systeme gebildet werden, welche eine Durchlässigkeits-zu-optischer-Weg-Kennlinie mit größerer Steigung zeigen, derart, daß eine maximale Änderungsdynamik der Durchlässigkeit bei einer minimalen Änderung des Brechungsindex des photorefraktiven Kristalls und/oder des oben erwähnten optischen Wegs induziert wird.
- Man wird sicher verstehen, daß es das Einfügen des Kristalls 1 in den Resonator des interferometrischen Systems 2, welches die oben erwähnte Durchlässigkeits-zu-optischer-Weg-Kennlinie zeigt, erlaubt, die Dynamik der Amplitudenänderung des Bildes oder der Informationen des darzustellenden Objekts, welche durch den Schreib-Lichtstrahl fe getragen werden, zu erhöhen und schließlich den Kontrast gegenüber der Grundkomponente desselben Schreibstrahls fe zu verbessern. Eine derartige Verbesserung führt schließlich dazu, die in dem Kristall durch den Schreib-Lichtstrahl fe hervorgerufene Modulation des Index zu erhöhen, wobei eine gleiche Änderung der Durchlässigkeit der Vorrichtung durch eine Änderung geringerer Amplitude des Brechungsindex der letzteren erreicht werden kann, wie dies in der folgenden Beschreibung beschrieben wird.
- In einer bevorzugten Ausführungsform kann das interferometrische System 2 durch ein Interferometer vom Fabry-Pérot-Typ gebildet werden. In diesem Fall ist das interferometrische System 2 durch haibreflektierende, in der Figur 1 mit 21, 22 bezeichnete Spiegel gebildet, wobei diese Spiegel den optischen Resonator des Interferometers begrenzen.
- Eine detailliertere Beschreibung der Arbeitsbedingungen der Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, wird nun in Verbindung mit Punkt b) derselben Figur angegeben.
- In der oben erwähnten Figur ist ein Diagramm dargestellt, auf dessen Abszissenachse die Länge des optischen Wegs aufgetragen ist, d.h. das Produkt der geometrischen Abmessung des Kristalls 1 in Ausbreitungsrichtung des Schreibstahls fe oder des Lesestrahls fl in dem Kristall, und dem Brechungsindex des Kristalls, wobei auf der Ordinatenachse hingegen die Durchlässigkeit aufgetragen ist.
- In dieser Figur ist bei I strichpunktiert die Durchlässigkeitskurve als Funktion der Länge des optischen Wegs einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation vom herkömmlichen Typ, d.h. einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation, welche nur durch einen photorefraktiven Kristall gebildet ist, dargestellt. Bei einer Länge des mit Δ(nl) bezeichneten optischen Wegs des Halbwellenkristalls, etwa Δ(nl) = λ/2, wobei λ die Wellenlänge des Schreibstrahls fe und des Lesestrahls fl in dem betrachteten Kristall bezeichnet, weist die oben erwähnte Kurve I im wesentlichen die Sinus-Form auf und der Wert der optimalen Durchlässigkeit, um in diesem Fall die beste Dynamik der Signalamplitude zu erhalten, der mit Toc bezeichnete Durchlässigkeitswert, liegt bei der Hälfte der Maximaldurchlässigkeit. Im Hinblick auf die relativ geringe Steigung der Durchlässigkeits-zu-optischer-Weg-Kennlinie, die Steigung erreicht im Fall der mit I bezeichneten Kurve höchstens -4π/λ.n, d.h. einen Absolutwert gleich 4π/λ.n, ist die entsprechende notwendige Änderung des Brechungsindex und der mit Δ(nl)c bezeichneten optischen Weglänge des Kristalls groß, was sich in einem geringen realen Kontrastwert der räumlichen Modulation des genannten Brechungsindex des Kristalls äußert.
- In derselben Figur 1 unter dem genannten Punkt b) ist ebenso mit durchgezogener Linie, bei II, die Durchlässigkeits-zu- optischer-Weg-Kennlinie einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der der Kristall 1 in dem optischen Resonator 2 des genannten interferometrischen Systems angeordnet ist. Man bemerkt, daß in diesem Fall die Steigung der genannten Kennlinie im Hinblick auf die Selektivität des genannten interferometrischen Systems bei der entsprechenden Wellenlänge im Absolutwert ungefähr mit einem Faktor 10 multipliziert ist. In diesem Fall ist bei einer gleichen Änderung der Durchlässigkeit ΔT die Änderung der notwendigen, mit Δ(nl)IFP bezeichneten optischen Weglänge viel geringer als die entsprechende Änderung der optischen Weglänge bei einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation vom herkömmlichen Typ, wobei diese Verminderung natürlich einer Verminderung im Verhältnis der Steigungen der genannten Kennlinien I und II entspricht.
- Man versteht somit, daß gemäß der Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung eine gleiche Änderung der Durchlässigkeit durch eine viel geringere Änderung der optischen Weglänge oder durch die Verwendung von Strahlen mit geringerer Intensität und die Möglichkeit eines besseren Nachweises bewirkt werden kann. Zudem ermöglicht es die größere Steigung der Vorrichtung, unter der Bedingung, daß der Arbeitspunkt gewählt werden kann, die informationsenthaltende Komponente des Signals und dessen Kontrast zu erhöhen.
- Was die Gestaltung der Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung, so wie sie unter Punkt a> der Figur 1 dargestellt ist, betrifft, so bemerkt man, daß der Kristall 1 zwischen den Spiegeln, einem Spiegel 21 oder 22, welcher den das Interferometer bildenden optischen Resonator begrenzt, angeordnet ist.
- Man stellt ferner fest, daß der photorefraktive Kristall 1 durch einen photobrechenden und/oder einen photochromatischen Kristall gebildet sein kann, wobei insbesondere bestimmte Kristalle photobrechende und photochromatische Eigenschaften zeigen können, insbesondere die dielektrischen photorefraktiven Kristalle.
- Wohlgemerkt kann der Kristall 1 durch einen Kristall aus Kahum-Tantalat-Niobat der allgemeinen Formel KTA(1-x)NbxO&sub3; gebildet sein, wobei diese Art von Kristall durch einen einfach oder doppelt dotierten Kristall gebildet sein kann. Es sei vermerkt, daß die einfach oder doppelt dotierten Kristalle dieser Art entweder mit Eisen oder mit einer Mischung aus Eisen und Chrom dotiert sein können.
- Es ist möglich, in Abhängigkeit der Index- und Absorptionskennlinien des Kristalls, des Schreibstrahls fe und des Lesestrahls fl und in Abhängigkeit der Kennlinien des Interferometers, um ein solches handelt es sich bei dem genannten wellenlängenselektiven Filter, also in Abhängigkeit des genannten Parametersatzes ist es möglich, die effektive Wellenlänge des Schreibstrahls fe und des Lesestrahls fl derart zu wählen, daß ein Wert des Index und der entsprechenden optischen Weglänge erhalten wird, welcher einer optimalen, mit TOIFP bezeichneten Durchlässigkeit entspricht, welche in der Figur 1 im wesentlichen einem Wert der Durchlässigkeit von 1/2 entspricht, um die beste Dynamik für die genannte Amplitudenänderung der Durchlässigkeit ΔT zu erhalten.
- Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der genannte optimale Arbeitspunkt TOIFP vorteilhafterweise mittels eines elektrischen Feldes eingestellt werden, womit es möglich ist, den Wert des Brechungsindex des genannten Kristalls 1 einzustellen.
- Zu diesem Zweck ist der Kristall 1, wie in Fig. 2a dargestellt, ferner mit einem Paar gegenüberliegender Elektroden versehen. Die mit 11 und 12 bezeichneten Elektroden sind dazu bestimmt, an den Kristall das genannte elektrische Feld E anzulegen. Dieses elektrische Feld kann ein stationäres oder möglicherweise pseudostationäres elektrisches Feld sein, wobei die Pseudostationarität des elektrischen Feldes in bezug auf die optischen Wellenlängen des Schreibstrahls fe und des Lesestrahls fl definiert ist, wobei die Frequenz des pseudostationären Feldes einige MHz erreichen kann. Die Gegenwart des stationären oder pseudostationären elektrischen Feldes erlaubt es somit, den Mittelwert des Brechungsindex und der entsprechenden optischen Weglänge auf den genannten optimalen Wert einzustellen, wobei dieser optimale Wert dem der maximalen symmetrischen Amplitudenänderung auf der Durchlässigkeitszu-optischer-Weg-Kennlinie entspricht.
- Wie in Figur 2a dargestellt, können die Elektroden 11, 12 durch ein elektrisch leitendes Material gebildet sein, wobei die Elektroden auf zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, welche an die Schreibseite bzw. die Leseseite des Kristalls angrenzen. Als nicht beschränkendes Beispiel können die Elektroden 11, 12 als auf die beiden an die Schreibseite und die Leseseite des Kristalls angrenzenden gegenüberliegenden Seiten aufgebrachte Vakuum-Metallisierungslagen ausgeführt sein. Die Metallisierung kann aus einer Aluminium-, Gold- oder Indiumabscheidung einer Dicke von einigen Mikrometern bestehen.
- Was die Ausführung der dielektrischen Spiegel 21 und 22 betrifft, sei bemerkt, daß diese beispielsweise als eine Abscheidung einer Magnesiumfluoridschicht einer Dicke gleich einen Viertel der Wellenlänge des Schreib-Lichtstrahls und des Lese-Lichtstrahls fe oder fl ausgeführt sein können.
- Ferner und gemäß einer in Figur 2b dargestellten Ausführungsform können die Elektroden 11 und 12 durch eine Lage eines elektrisch leitenden Materials gebildet sein, welches bei einer Filterwellenlänge λf des den Kristall 1 enthaltenden Interferometers transparent ist. Es sei bemerkt, daß die Elektroden 11 und 12 bevorzugterweise auf den den vorangehend genannten optischen Resonator begrenzenden Spiegeln 21 und 22 angeordnet sind. Die Spiegel 11 und 12 sind beispielsweise durch Indiumabscheidung unter Vakuum einer Dicke im Bereich von Mikrometern gebildet. Bei diesen Dicken zeigt Indium die Besonderheit, elektrisch leitend und für sichtbares Licht transparent zu sein.
- Man beachte in den Figuren 2a und 2b die Richtung des elektrischen Feldes E, welches im Fall der Figur 2a transversal zur Ausbreitungsrichtung der Lese- und Schreib-Lichtstrahlen fe, fl ist, wohingegen im Fall der Figur 2b das elektrische Feld E parallel zur Ausbreitungsrichtung derselben Lichtstrahlen in dem Kristall ist. In beiden Fällen erlaubt das elektrisch Feld E somit eine entsprechende elektrische Polarisierung des Kristalls und eine Einstellung des entsprechenden Mittelwerts des Brechungsindex. Man beachte, daß der Wert des genannten elektrischen Feldes von der Größenordnung einiger kV pro Zentimeter sein soll und die die Rolle des Kristalls 1 spielenden vorangehend genannten Kristalle höchstens eine Länge von 500 Mikrometer haben.
- Eine detailliertere Beschreibung der Betriebsweise der Vorrichtung zur Lichtmodulation der in der Figur 2a) oder 2b) dargestellten Art wird in der folgenden Beschreibung angegeben.
- Die Kristalle aus Kalium-Tantalat-Niobat der vorangehend angegebenen Formel durchlaufen, auf allgemeine Weise, bei einer mit Tc bezeichneten kritischen Temperatur, welche von der Niobkonzentration x abhängt, einen ferroelektrischen Phasenübergang. Man beachte, daß diese Konzentration von der Größenordnung 8,5 k/1% pro Mol Niob ist und bei x = 35 % die kritische Temperatur Tc gleich 300 Grad Kelvin ist.
- Im paraelektrischen Bereich, d.h. für T> Tc, zeigt der Kristall eine kubische Kristallgitterstruktur und somit folgt der elektrooptische Effekt als Funktion der Amplitude E&sub0; des elektrischen Feldes, im Gegensatz zu allen üblichen photorefraktiven Kristallen, einem quadratischen Gesetz und ist durch die Beziehung
- Δn = (1/2)n&sub0;³ g(ε&sub0;εE&sub0;)²
- gegeben. In dieser Beziehung ist An die Doppelbrechung des Kristalls, n&sub0; ist der Brechungsindex, g ist der elektrooptische Koeffizient des Kristalls, ε ist die relative Dielektrizitätskonstante, e&sub0; stellt die absolute Dielektrizitätskonstante im MKSA-Einheitensystem dar und E&sub0; ist die Amplitude des an den Kristall angelegten stationären oder pseudostationären elektrischen Feldes. Man beachte, daß bei einer Temperatur T von etwa T-Tc = 10 K der Wert der relativen Dielektrizitätskonstante ε gleich 10&sup4; ist.
- Zwei Mechanismen können angeführt werden, um den photorefraktiven Effekt der Kristalle der genannten Art zu zeigen.
- Ein erster Mechanismus, raumladungs-photorefraktiver Effekt genannt, ist der folgende: Da die in dem Schreib-Lichtstrahl enthaltenen Bildmuster durch den Schreib-Lichtstrahl in dem Kristall gebildet werden, werden mit den Mustern räumlich korrelierte Raumladungen induziert, sofern gewisse Transportmechanismen für diese Ladungen vorhanden sind. Diese Transportmechanismen können beispielsweise entweder durch ein Diffusionsphänomen dieser Ladungen aufgrund beispielsweise eines ausreichenden Verlustfaktors des den Kristall bildenden dielektrischen Materials oder durch die Anwesenheit eines externen elektrischen Feldes gebildet sein.
- Im Falle der Anwesenheit eines externen elektrischen Feldes werden diese Felder der Raumladungen in Gradientenfelder des Brechungsindex umgewandelt, welche durch folgende Beziehung gegeben sind:
- δ(Δn)sc = n&sub0;³g(ε&sub0;ε)²E&sub0;Esc
- Bei der vorangehenden Beziehung nimmt man jedoch an, daß das mit Esc bezeichnete Diffusionsfeld viel kleiner ist als das Feld E&sub0;, welches das vorangehend genannte stationäre oder pseudostationäre Feld bildet.
- Die Modulationstiefe, d.h. die entsprechende Änderung des Brechungsindex im kristallinen Medium des genannten Kristalls 1 und schließlich der vorangehend in der Beschreibung genannte Kontrast, ist somit proportional zur Amplitude des stationären oder pseudostationären Feldes E&sub0;. Da das Schreiben des Musters in dem kristallinen Medium, d.h. die räumliche Modulation des Index, erreicht wird, ist es somit möglich, diese Modulation alleine durch das Anlegen des externen elektrischen Feldes der Amplitude E&sub0; zu schalten. Aufgrund der Tatsache, daß die dielektrische Konstante ε in der Umgebung des Phasenübergangs groß ist, sind ferner die im Brechungsindex bewirkten Raumladungsänderungen sehr groß, typischerweise Δn=0,001 bei E&sub0;=1 kV/cm bei der Temperatur T-Tc=10K.
- Der zweite Mechanismus ist der dielektrische photorefraktive Effekt. Gemäß diesem zweiten Mechanismus erzeugt das Eingangslichtfeld, d.h. der Schreib-Lichtstrahl fe, eine metastabile Änderung des Oxidationszustands der Verunreinigungsatome durch Photoionisation der Elektronen der Verunreinigungsatome einer gegebenen Art und deren Einfang durch die Verunreinigungsatome einer anderen Art. Die metastabilen Änderungen erzeugen Änderungen in der Temperatur des Phasenübergangs des Kristalls, der Temperatur Tc. Da sich ein Kristall bei einer Temperatur leicht oberhalb der kritischen Temperatur Tc befindet, d.h. da sich der Kristall in einer kubisch kristallinen Phase befindet, beeinflussen diese Änderungen der kritischen Temperatur Tc in starkem Maße die relative Dielektrizitätskonstante ε gemäß dem Curie-Weiss-Gesetz. Das Anlegen eines gleichförmigen externen elektrischen Feldes an einen derartigen Kristall erlaubt es somit, die leichte Modulation des Wertes der induzierten relativen Dielektrizitätskonstante ε in eine Modulation der statischen oder niederfrequenten Polarisation umzuwandeln. Letztere induziert somit mittels des quadratischen elektrooptischen Effekts eine korrelierte Modulation des Brechungsindex.
- Der durch den Lese-Lichtstrahl oder den Schreib-Lichtstrahl induzierte dielektrische photorefraktive Effekt in einem Kristall in kubischer kristallographischer Phase in Abhängigkeit der Änderung der kritischen Temperatur ATC des Phasenübergangs ist eine Funktion des während des Lesevorgangs angelegten externen elektrischen Feldes und somit durch die Beziehung
- δ(Δn)d = n&sub0;³gΔTc(εε&sub0;E&sup0;)² / (T-Tc)
- gegeben. In dieser Beziehung ist Δn=n&sub0;-ne, wobei n&sub0; und ne die ordentlichen und außerordentlichen Brechungsindizes des Kristalls darstellen, g ist der elektrooptische Koeffizient des Kristalls und T ist die absolute Temperatur des Kristalls.
- Es läßt sich zeigen, daß der theoretische Ausdruck für die Wirkung des dielektrischen photorefraktiven Effekts durch die Beziehung
- S(DPRE)=n&sub0;³g(dTc/dN) pr²/[h e(T-Tc)]
- gegeben ist. In dieser Beziehung stellt dTC/dN die Änderung der kritischen Temperatur Tc pro absorbiertem Photon dar, h ist die Anregungsenergie in Elektronvolt, h stellt den Wert der Planck'schen Konstante dar, e ist die Ladung des Elektrons und Pr ist die optimale, durch das während des Lesevorgangs angelegte elektrische Feld induzierte elektrostatische Polarisation. Nimmt man an, daß die obere Grenze der Wirkung S erreicht ist, wenn der dielektrische photorefraktive Effekt gleich der Erzeugung eines Sauerstoffdefekts im Strontiumtitanat SrTiO ist, erhält man S=10&supmin;³cc/J.
- Man beachte, daß die Existenz des dielektrischen photorefraktiven Effekts experimentell mit Hilfe einer Methode verifiziert wurde, welche es ermöglicht, eine Unterscheidung zwischen dem dielektrischen photorefraktiven Effekt und dem raumladungs-photorefraktiven Effekt zu treffen. Für eine detailliertere Beschreibung der Ausführung des genannten Verfahrens und für eine weitergehende Beschreibung der erhaltenen experimentellen Resultate kann beispielsweise auf die Publikation der Herren A. Agranat und Y. Yacoby, "Photorefractive Effect Produced by Photoinduced Metastable Changes in the Dielectric Constant", veröffentlicht in Nr. B27 der Zeitschrift Physical Review, Nr. 5712 (1983), Bezug genommen werden.
- Was die experimentell erhaltenen Resultate betrifft, sei lediglich gesagt, daß man für eine Probe der Art KTa0,924, Nb0,076 O:Fe0,002 Cr0,01, wobei diese Art von Kristall einem doppelt dotierten Kristall entspricht, welcher eine kritische Temperatur von Tc = 58ºK aufweist, fesgestellt hat, daß bei einer Kristalltemperatur T = 92ºK und unter Anregung mit einer Wellenlänge λ=4880ºA, die photorefraktive Wirkung S gleich S=6x10&supmin;&sup5; cc/J war. Dieses Ergebnis zeigt, daß die photorefraktive Wirkung in diesem Fall ungefähr dreimal größer ist als in dem Fall eines einfach eisendotierten Lithiumniobatkristalls der Form LiNbO&sub3;:Fe.
- Man beachte, daß die doppeltdotierten Kahum-Tantal-Niobat- Kristalle oder KTN-Kristalle außer dem photorefraktiven Effekt sehr starke photochromatische Eigenschaften zeigen.
- Obgleich die vorangehend genannten Kristalle vom KTN-Typ insbesondere geeignet sind, schließlich eine Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung zu realisieren, beachte man, daß die Verwendung herkömmlicher photorefraktiver Kristalle, wie beispielsweise Wismutselenidkristalle der allgemeinen Formel BSO, auf vorteilhafte Weise angestrebt werden kann.
- Man beachte jedoch, daß die Verwendung der vorangehend genannten Kristalle des KTN-Typs geeignet ist, die folgenden Vorteile gegenüber den herkömmlicheren Kristallen vom BSO-Typ zu zeigen:
- - Der raumladungs-photorefraktive Effekt in den leichtdotierten KTN-Kristallen ist sehr empfindlich, insbesondere um eine Größenordnung mehr empfindlich, als bei den Kristallen vom BFO-Typ.
- Folglich ermöglicht es die Verwendung der leicht-dotierten Kristalle vom KTN-Typ, Vorrichtungen mit großer Empfindlichkeit zu realisieren.
- - Was die doppeltdotierten Kristalle vom KTN-Typ betrifft, d.h. die Kristalle des Typs KTN : Ti, Fe, KTN : Cr, Fe und KTN : Cr, V, so zeigen diese einen ausgebildeten photochromatischen Effekt. Obwohl weniger empfindlich als der raumladungs-photorefraktive Effekt, weist der photochromatische Effekt zwei Vorteile für die Vorrichtungen zur räumlichen Lichtmodulation auf: Es ist zum einen sehr einfach, den genannten Effekt experimentell zu beherrschen. Aufgrund der Tatsache, daß die Empfindlichkeit bei den Vorrichtungen zur konoskopischen Holographie keinen Parameter von größerer Wichtigkeit darstellt und aufgrund der Tatsache, daß der Kristall durch die Einstellung der Intensität des Lesestrahls fl reaktiviert werden kann, kann zum anderen eine Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation durch den photochromatischen Effekt ohne Schwierigkeit betrieben werden.
- - Aufgrund der Tatsache, daß in der Umgebung des ferroelektrischen Phasenübergangs die dielektrische Konstante der Kristalle vom KTN-Typ sehr groß ist, bis zu Werten, welche bei der kritischen Temperatur Tc den Wert 10 erreichen oder überschreiten, ist es somit möglich, vergleichsweise niedrige elektrische Felder zu verwenden, um den Arbeitspunkt zu steuern und einzustellen. Somit ist es mit Vorrichtungen zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, stationäre oder pseudostationäre elektrische Felder mit einer Amplitude E&sub0; der Größenordnung kV pro Zentimeter zu verwenden, während bei den Kristallen vom BSO-Typ das notwendige elektrische Feld von der Größenordnung 10 kV pro Zentimeter ist.
- - Das Haupthindernis bei der Entwicklung von Vorrichtungen mit hoher Auflösung, welche den herkömmlichen raumladungs-photorefraktiven Effekt verwenden, ist das Phänomen der Ladungsmigration, welches für diese Art von Vorrichtung typisch ist. Es ist somit möglich, den dielektrischen photorefraktiven Effekt zu verwenden, bei dem keine Ladungsmigration auftritt. Hierzu bedarf es alleine der Schaltung und der Unterdrückung des elektrischen Feldes während des Schreibvorgangs, wobei das elektrische Feld, während des Lesevorgangs mittels eines Lese-Lichtstrahls fl von geeigneter Wellenlänge, aufs neue hergestellt wird.
- Man beachte insbesondere im Hinblick auf die Wellenlängen der zur Verwendung mit den Vorrichtungen zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung geeigneten Lese- und Schreibstrahlen, daß die genannten Strahlen durch Strahlen aus weißem Licht oder durch Strahlen aus monochromatischem Licht gebildet sein können. In beiden Fällen kann die verwendete Strahlung nicht kohärenter Natur sein. Man beachte nämlich, daß aufgrund der Lese-Verwendung eines interferometrischen Systems, wie etwa eines inteferometrischen Systems vom Fabry- Pérot-Typ, dieses immer wie ein monochromatischer Filter wirkt. Es ist somit möglich, das System beispielsweise mit weißem Licht zu adressieren, das von dem System genutzte Licht jedoch nur das in dem Nutzungsbereich des genannten Interferometers liegende Licht ist.
- Auf nicht beschränkende Weise kann die Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung bei Vorrichtungen zur konoskopischen Holographie verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit der letzteren durch Unterdrückung der in dem entsprechenden konoskopischen holographischen Bild enthaltenen Grundkomponenten zu steigern, um somit ein System zur konoskopischen Holographie mit großer Dynamik zu realisieren. Ein derartiges System ist auf schematische Weise in Figur 3 dargestellt.
- Wie in dieser Figur dargestellt, kann dieses System eine Vorrichtung 30 vom konoskopischen Typ aufweisen, welche ein konoskopisches Bild in Form eines für dieses Bild repräsentativen Lichtstrahls liefert. Um ein nicht beschränkendes Beispiel anzugeben, kann diese Vorrichtung 30 vom konoskopischen Typ durch die entsprechende Vorrichtung gebildet sein, welche in der französichen Patentanmeldung 88 17225 beschrieben ist, und welche in die vorliegende Beschreibung zur Bezugnahme einbezogen ist.
- Ferner umfaßt das in Figur 3 dargestellte System einen gegen über der Richtung des genannten, für das konoskopische Bild repräsentativen Lichtstrahls um 45º geneigten dichroitischen Spiegel 31.
- Das System zur konoskopischen Holographie mit hoher Dynamik, wie sie in der Figur 3 dargestellt ist, umfaßt ferner eine Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation 32 der vorangehend in der Beschreibung beschriebenen Art. Diese Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation empfängt über den vorangehend genannten dichroitischen Spiegel 31 zum einen den für das konoskopische Bild repräsentativen Lichtstrahl, wobei dieser Lichtstrahl somit für die Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation 32 den Schreib-Lichtstrahl bildet. Diese letztere empfängt zum anderen einen mit fl bezeichneten Lese-Lichtstrahl.
- Man beachte schließlich, daß hinter der Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation 32 vorteilhafterweise ein optisches Filter 33 der Wellenlänge λf des Interferometers vom Fabry- Perot-Typ, das die Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation 32 bildet, angeordnet sein kann, sowie ein Fokussierungsobjektiv und eine Detektorvorrichtung, zum Beispiel vom CCD-Cameratyp, wobei diese beiden letzteren Elemente in der Figur 3 mit 34, 35 bezeichnet sind.
- Es wurde somit eine besonders leistungsfähige Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation beschrieben, da diese letztere gemäß der vorliegenden Erfindung eine große differentielle Verstärkung oder dynamische Verstärkung zeigt, welche der Steigung der Kennlinie II in der Figur 1b entspricht, wobei diese differentielle Verstärkung außerdem in einem großen Wertebereich der Durchlässigkeit unabhängig von dem Grundpegel des Schreib-Lichtstrahls oder des Lese-Lichtstrahls ist. Die Möglichkeit, den Arbeitspunkt auf einen optimalen Wert einzustellen, wie etwa den Wert T0IFP in der Figur 1, Punkt b, wobei dieser optimale Arbeitspunkt der maximalen Steigung der genannten Kennlinie II entspricht und diese Einstellung des Arbeitspunkts mittels eines extern angelegten stationären elektrischen Feldes realisiert werden kann, ermöglicht es ferner bei der Ausführungsform als konoskopisches Holographiesystem, wie etwa dem in Figur 3 angegebenen, die Grundkomponente des holographischen Strahls zu unterdrücken, welcher Träger von Informationen des konoskopischen holographischen Bildes ist und die Rolle des Schreibstrahls in der eingebauten Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation spielt.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation umfassend
einen photorefraktiven oder photochromatischen Kristall,
wobei dieser Kristall (1) im Resonator eines
interferometrischen Systems (2) angeordnet ist, welches eine
Durchlässigkeits-zu-optischer-Weg-Kennlinie (II) mit Bereichen
großer Steigung aufweist, derart, daß eine maximale
Änderungsdynamik (ΔT) der Durchlässigkeit bei einer
minimalen Änderung Δ(nl)IFP des Brechungsindex des
Kristalls erreicht wird, wobei die Vorrichtung Mittel
aufweist, um in den Resonator einen Schreib-Lichtstrahl zu
führen, welcher den Brechungsindex des Kristalls und
somit den optischen Weg ändert, und um in den Resonator
einen Lese-Lichtstrahl derart zu führen, daß er durch die
Änderung der Durchlässigkeit moduliert wird, wobei die
differentielle oder dynamische Verstärkung der Steigung
ΔT/Δ(nl)IFP der
Durchlässigkeits-zu-optischer-Weg-Kennlinie entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kristall ein Halbwellen-Kristall ist und ferner mit einem
Paar Elektroden (11), (12) versehen ist, welche dazu
bestimmt sind, an den Kristall ein stationäres oder
pseudostationäres elektrisches Feld (Eo) anzulegen, und
dadurch, daß die Vorrichtung Mittel umfaßt, um den
mittleren Wert des Brechnugsindex und damit des optischen
Wegs auf einen Punkt einzustellen, welcher einem
optimalen Wert entspricht, der dem der maximalen
Amplitudenänderung der Durchlässigkeit auf der
Durchlässigkeits-zuoptischer-Weg-Kennlinie entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das interferometrische System aus einem Fabry-Pérot-
Interferometer gebildet ist, welches aus den den
optischen Resonator des Interferömeters begrenzenden Spiegeln
(21), (22) gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kristall (1) zwischen den Spiegeln (21, 22)
angeordnet ist, welche den Resonator begrenzen und auf der
Eintrittsseite des Schreib-Lichtstrahls bzw. auf der
Austrittseite des Lese-Lichtstrahls angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Feld transversal verläuft, die Elektroden (11), (12)
zu den Spiegeln (21,22) orthogonal verlaufen und aus
einer Lage eines elektrisch leitenden Materials gebildet
sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Feld longitudinal verläuft, die Elektroden (11, 12)
zu den Spiegeln parallel verlaufen und aus einer Lage
eines elektrisch leitenden, bei der Wellenlänge des zu
modulierenden Lichts transparenten Materials gebildet
sind, wobei die transparenten Elektroden (11,12) auf
einer oder zwei Seiten des Kristalls angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall ein
dielektrischer photorefraktiver Kristall ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß im Hinblick darauf, die
durch dielektrischen photorefraktiven Effekt aufgrund von
Raumladungen hervorgerufene Migration von elektrischen
Ladungen zu unterdrücken, das stationäre oder
pseudostationäre elektrisches Feld Eo während des Schreibvorgangs
unterdrückt wird und anschließend während des
Lesevorgangs wiederhergestellt wird.
8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kristall ein einfach oder doppelt
dotierter Kalium-Tantalat-Niobat-Kristall der allgemeinen
Formel KTa(1-X)NbxO&sub3; ist.
9. Vorrichtung zur konoskopischen Holographie mit großer
Dynamik, umfassend:
- ein Konoskop (30), welches ein konoskopisches Bild in
Form eines für das konoskopische Bild repräsentativen
Lichtstrahls liefert,
- eine Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation (32)
nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation zum einen den für
das konoskopische Bild repräsentativen Lichtstrahl
empfängt, wobei dieser Lichtstrahl den Schreib-Lichtstrahl
(fe) für die Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation
bildet, und zum anderen einen Lese-Lichtstrahl (fl)
empfängt, wobei die beiden Lichtstrahlen durch ein
optisches System, welches das Vereinigen der Lichtstrahlen
ermöglicht, auf der Modulationsvorrichtung vereinigt
werden.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es
ferner hinter der Vorrichtung zur räumlichen
Lichtmodulation (32) ein System zur optischen Filterung (33) oder
ein Hybrid umfaßt, welches aus einer mit einer Maske
versehenen Optik und aus einer Detektorvorrichtung vom
CCD-Kameratyp (34,35) oder ähnlichem besteht.
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