EP0916228A1 - Vorrichtung zum intensitätsmodulieren eines lichtbündels, ein herstellungsverfahren für diese, ein verfahren zum intensitätsmodulieren eines lichtbündels sowie verwendung der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum intensitätsmodulieren eines lichtbündels, ein herstellungsverfahren für diese, ein verfahren zum intensitätsmodulieren eines lichtbündels sowie verwendung der vorrichtung

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EP0916228A1
EP0916228A1 EP98909461A EP98909461A EP0916228A1 EP 0916228 A1 EP0916228 A1 EP 0916228A1 EP 98909461 A EP98909461 A EP 98909461A EP 98909461 A EP98909461 A EP 98909461A EP 0916228 A1 EP0916228 A1 EP 0916228A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
modulator
modulators
bundle
intensity
ucht
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98909461A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christhard Deter
Jörg WUNDERLICH
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LDT Laser Display Technology GmbH
Original Assignee
LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG
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Filing date
Publication date
Application filed by LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG filed Critical LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG
Publication of EP0916228A1 publication Critical patent/EP0916228A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00Details of colour television systems
    • H04N9/12Picture reproducers
    • H04N9/31Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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    • G02F1/03Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
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    • G09B9/30Simulation of view from aircraft
    • G09B9/32Simulation of view from aircraft by projected image
    • G09B9/326Simulation of view from aircraft by projected image the image being transformed by optical means

Definitions

  • the invention relates to a device for intensity modulation of a beam, which falls into the input of a modulator, which can be controlled with a control signal between two states, in which in the first state only a minimal part of the bundle and in the second state a maximum part of the bundle fail from an output of the modulator. Furthermore, the invention relates to a production method for a device for intensity modulating a UchtbQbels with a modulator, in the input of which the light beam is incident, wherein this modulator can be controlled with a control signal between two states, in which in the first state only a minimal portion of the light bundle and in the second state, a maximum proportion of the UchtbQ bundle fail from an output of the modulator.
  • the invention relates to a method for intensity modulating a UchtbQ bundle with a modulator, the input of which is introduced into the latter, the modulator being controlled with a control signal between two states, in which a minimal proportion of the Uchtbündi is present in the first state and one in the second state maximum portion of the UchtbQ bundle fail from an output of the modulator.
  • Intensity modulators for UchtbQndel are generally known. An overview is given, for example, in the book by Werner Hülsbusch, "The Laser in the Printing Industry", Vertag Werner Hülsbusch, Konstanz, 1990, pages 91 ff. Accordingly, electro-optical, acousto-optical, thermo-optical, magneto-optical, opto-optical or photothermal modulation can be used. There are also modulators Strip waveguides are known from DE 19503931 A1, in which modulation is achieved by changing the effective refractive index by means of injection or depletion of free charge carriers in semiconductor materials. The effectiveness of the modulation can in general be increased by a structure in the manner of Fabry-Perot interferometers.
  • electro-optical, acousto-optical, thermo-optical, magneto-optical, opto-optical and photothermal cut-off modulations are known in practice, it also being possible to use a variation of the effective refractive index by injection or depletion of free charge carriers in semiconductor materials.
  • controllable waveguide gain a controllable waveguide gain, a controllable polarization rotation, a waveguide mode conversion or electro absorption modulation can be used for the intensity modulation of Ucht bundles.
  • the intensity modulation is based on a polarization modulation by means of a controllable external electric field in connection with a downstream analyzer for the polarization, viewed in the right direction. Due to the Pockels effect, the plane of vibration of an incident linear polarized wave is rotated depending on the applied field strength.
  • the Pockels effect is particularly advantageous because of the electrical controllability with the aid of voltages, due to which a short switching time is also achieved.
  • the voltages required for such modulators are due to the ones to be achieved
  • a laser beam is scanned on a screen to generate a video image.
  • the necessary deflection is carried out analogously for image display in the Femse tube, however, no magnetic deflection coils or electrostatic deflection plates are used here as with an electron beam, but the laser beam used here is scanned by rapid mechanical changes in the angle of mirrors or by acousto-optical deflection.
  • all pixels of the video image are sequentially illuminated on a screen analogously to the known television picture.
  • the intensity of the Ucht bundle is controlled for each pixel in the Uch propagation direction before rasterization, for example with one of the modulators mentioned, according to the intensity required for displaying the video image.
  • Video projection devices especially for simulation purposes, such as in flight simulators and planetariums, are insufficient.
  • the intensity modulator must be able to dampen the intensity of the UchtbQbels at the planetarium so much, despite a laser source operating at high nominal power, that complete darkness prevails in the projection room. Until now this has only been achieved satisfactorily with mechanically working apertures, which are used for video images
  • Frequencies of a few megahertz and above are generally too slow.
  • Non-mechanical, field-controlled intensity modulators such as liquid crystal matrices, cannot be used either, because they leave the light blocking
  • the object of the invention is a method for modulating the intensity of a Ucht bundle, an apparatus for carrying out the method and a production method for the same
  • the device has two or more modulators in an arrangement in which a bundle of failures falling out of one of the modulators enters the input one at a time
  • Uch propagation direction arranged following modulator is introduced, wherein the Uchtb Bundle intensity-modulated by means of the device can be removed from the last of the modulators in the row thus formed, so that the extinction of the device is improved compared to that of each individual modulator in a manufacturing process for the
  • the device is arranged behind the modulator known from the prior art, at least one further modulator in which the one that falls out of the first modulator
  • Uchtbündel is introduced into the input of the further modulator, so that the absorbance of the device for the removed intensity-modulated Uchtbündels is improved compared to that of each individual modulator.
  • a method according to the invention for intensity modulation of a Ucht bundle can be carried out, in which two or more modulators for intensity modulation are arranged in series in the Ucht propagation direction, a Ucht bundle emerging from a modulator being introduced into the input of a further modulator arranged in the Ucht propagation direction and the Uchtb Bundle intensity-modulated by means of the device is taken from the last of these modulators in the row thus created, so that the absorbance of the device is improved compared to that of each individual modulator
  • Real intensity all modulators are set for the passage of the maximum real proportion and then the individual modulators in the control to reduce the Intensity can be darkened one after the other.
  • a device according to the invention can also be operated with a high extinction value if all modulators are moved from the state of maximum output power to a state of minimum output power by simultaneously changing the control signals.
  • Control Pockels cells also with sufficiently good extinction by means of significantly smaller control voltages for lower extinction of each individual cell, whereby, for example, Pockels cells connected in series are arranged in such a way that a maximum light component is coupled out when the control signal is zero and the light is turned on by increasing the control signal a minimum proportion is darkened. This darkening then takes place essentially with a power of the voltage given by the number of Pockels cells, so that much lower voltages are required to achieve a low extinction than in the case of a single Pockels cell. With a series connection of, for example, 17 Pockels cells and control with approximately half the voltage at half the intensity, an extinction value of over 1: 100,000 is achieved, i.e.
  • Control signal is set.
  • each modulator has a device which can be controlled by the control signal and which divides the Uchtbündel into two depending on the control signal
  • the device is a Pockels cell in accordance with a further preferred development of the invention.
  • each modulator has a signal-controllable device for diffraction of Ucht for the control signal-dependent division of the Ucht bundle into intensity components of two different diffraction orders and an aperture on
  • the stray light which may arise at each aperture or the bent lens is effectively blocked due to the prevention of vision, so that also thereby an especially good extinction value is advantageously achieved due to the reduction of stray light components.
  • the entire device can be implemented on a substrate as integrated optics with several modulators connected in series. Accordingly, one looks preferable
  • a further development of the invention provides that the device is designed in an integrated-optical manner by connecting a plurality of integrated-optical modulators in series on the same substrate.
  • control signals of all modulators are electrical voltages
  • all leads for the control signals for supplying a single control voltage to the device are shaded in parallel.
  • the control signals are usually electrical currents with which magnetic coils are applied.
  • Modulators are connected in series.
  • such devices are particularly suitable for a video projection system in which the modulated light beam is deflected in line and image fashion and is directed at a screen for displaying a video image, the control signal for the device being a video signal with the resting deflection is synchronized
  • this application is particularly advantageous when this video projection system is a planetarium, because then all the stars are on night black
  • FIG. 1 shows a video system in which the invention is advantageously used.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the mode of operation of an acousto-optical modulator
  • FIG. 4 shows an embodiment of a device according to the invention based on acousto-optical modulation
  • a laser projection device is shown as it can be used, for example, to display color video images in video devices, planetariums or flight simulators.
  • it is expedient and, in some applications, even required to create a very large contrast between light and dark, since, for example, all the stars in a planetarium are to be displayed on a night-black sky.
  • a device according to the invention is therefore particularly advantageous when used in a projection device according to FIG. 1
  • the projection device according to FIG. 1 is oriented towards a colored image representation.
  • three lasers 10, 20, 30, from which three Ucht bundles 12, 22, 32 emanate, are provided, the Ucht having a suitable wavelength for generating
  • the lasers 10, 20, 30 were statically operated gas lasers, the three bundles of beams 12, 22, 32 of which were subsequently modulated with suitable devices 14, 24, 34.
  • the intensity of the individual Uchtbündels 16, 26, 36 and thus the brightness and color of the pixels are controlled, that is, the aforementioned good extinction is to be realized here, as follows with reference to FIGS. 2 to Fig 6 is explained in detail.
  • the light bundles 16, 26, 36 are combined into a total light bundle 40 by means of a mirror system 38, which propagates through the further system as a total light bundle 40.
  • the total light bundle 40 was deflected line-by-image and image-wise onto a screen 43 by a deflection device consisting of a polygon mirror 41 and a swivel mirror 42 in order to sequentially illuminate individual pixels of the video image to be generated there.
  • This screen 43 can be flat for the display of normal video images, but in the case of planetariums and flight simulators it is preferable to make it curved.
  • the screen technology used in such laser projectors is known from television with picture tubes.
  • the technique used here differs from this in that a total light beam 40 instead of an electron beam for generating
  • Pixels of the video image used wind and the magnetic deflection usual in picture tubes is replaced by mechanical rasterization by means of polygon mirror 41 and swivel mirror 42.
  • the rasterization is, however, not limited to the mechanical aids shown. For example, it can also be carried out acousto-optically.
  • the intensity of the light bundles 16, 26, 36 and thus also the brightness or, in the case of the color video system, also the color tone of the individual rastered image points on the screen 43 are determined by modulating the light bundles 12, 22, 32 by means of the devices 14, 24, 34 according to the invention via a control device 44 controlled as a function of the video signal introduced on the input side and synchronization signals generated by the deflection device.
  • the desired low extinction between dark switching and light shade is achieved by a device 14 according to FIG. 2, the internal structure of which is shown in principle as an example for one of the devices 14, 24 or 34 shown in FIG. 1.
  • the Ucht bundle 12 is introduced into an input and the modulated Ucht bundle is removed as an Ucht bundle 16 from an output.
  • the modulation is carried out by a plurality of modulators 50 and 50 'which are arranged one behind the other in the direction of propagation, that is to say connected in series, of which two, the first and the last, are shown by way of example in the exemplary embodiment in FIG. 2.
  • modulators 50 it is generally sufficient for modulators 50, only two modulators to be connected in series, ie then to insert the bundle 52 that fails from the modulator 50 directly into the input of a subsequent modulator 50 *.
  • the respective modulators 50 and 50 ' are acted upon by signals provided for this purpose by control inputs 54 and 54' in order to control the intensity of the real beam 16. If the first modulator 50 is in the dark state, the Ucht bundle 52 can nevertheless have a relatively high Ucht intensity, which is caused, for example, by material imperfections of the modulator 50 or scattered light in this modulator 50. The subsequent modulator 50 ', if it is switched to the dark state, further attenuates the intensity of the light beam 52, so that the light beam 16 can achieve a much better extinction by further reducing the light content of the light beam 52 than if only a single modulator 50 would be provided.
  • control signals of the individual modulators 50 and 50 'could be chosen quite differently, for example, the first modulator 50 can be switched dark at its input 54 when the control signal is zero, while the last modulator 50', for example, at its input 54 'at maximum signal strength in the dark state is.
  • the modulators shown in the example in FIG. 2 can be implemented integrated optically.
  • the device according to FIG. 2 can be produced in a particularly reproducible and cost-effective manner if all modulators 50, 50 'and any further ones are integrated on a single substrate.
  • FIGS. 3 and 4 show an example of a modulator 50 which contains a so-called Bragg cell.
  • This consists of a transparent material 60 suitable for the acousto-optical effect, in which acoustic waves are coupled in with the aid of, for example, a piezoelectric voltage-pressure converter 62.
  • the acoustic waves are destroyed on an opposite sound absorber 63.
  • These acoustic waves lead locally to changes in the refractive index in the material 60, which is why in the material 60 there is a diffraction of the real beam 12 incident at the Bragg angle ⁇ B.
  • a coating 64 with an anti-reflective coating is in each case on the surfaces for the entry and exit of material 60
  • the Ucht bundle 12 not only passes through the transparent material 60 as a beam of neutral order 53, but also a second beam 52 is deflected in a higher diffraction order.
  • the intensity of this beam 52 of the higher diffraction order essentially depends on of the modulation voltage of the piezoelectric transducer 62, while the angle of the deflection is determined by the frequency.
  • acousto-optical modulators according to FIG. 2 are connected in series.
  • Fig. 4 that is closer in Fig. 2 illustrated principle in the form of a device 14 based on acousto-optical modulation.
  • the device consists of material 60 which is suitable for acousto-optical modulators 50, 50 * and 50 ".
  • the emerging beam 16 in the uncontrolled state of the modulators 50, 50 'and 50 is much darker than in the exemplary embodiment in FIG. 3 and the extinction ratio is significantly improved, which is partly due to the fact that the shown diaphragms 67, 67 ', 67 "are offset from each other and so the direct passage of Ucht is greatly reduced.
  • FIG. 5 An intensity modulation working on the basis of different polarization directions is shown in more detail in FIG. 5 on the basis of the principle of a Pockels cell.
  • Modulators based on a change in polarization have the advantage over acousto-optical modulators that almost the entire intensity of the incident beam is reproduced in the outgoing beam, in contrast to the acousto-optical principle, in which an intensity component in other diffraction arrangements must always be taken into account.
  • the light bundle 12 originating from the light source 10 is used to set a defined one
  • polarizer 71 This polarizer can be dispensed with, however, if the Ucht bundle 12 emerging from the laser 10 shown in FIG. 1 is itself polarized. Although this also applied to the example of FIG. 1, a Glan-Thompson prism was nevertheless used as the polarization filter 71 in the exemplary embodiment in order to achieve the best possible polarization of the optical bundle 13 when it falls into the end face 72 of an electro-optically active material 73.
  • Electrodes 74 and 75 are arranged in a known manner on the surface of the material 73.
  • a phase modulation of the incident Ucht bundle takes place in such a way that Ucht with different circular polarization states passes through the electro-optical material 73 at different speeds. Due to the different phase velocities of these partial light bundles with different polarization states, a real bundle 77 falls out of the end face 76, the polarization direction of which is changed when the voltage at the electrodes 75 and 76 differs from zero.
  • a further polarization filter 79 is arranged in the modulator 50 as a polarizer, which was also a Glan-Thompson prism in the exemplary embodiment.
  • This analyzer filters out only a single polarization direction, so that, depending on the voltage applied to the electrodes 74 and 75, the real bundle 16 emerging from the modulator 50 has different intensities.
  • the two polarization filters 71 and 79 are arranged to act in a direction perpendicular to one another, so that at zero voltage at the electrodes 74 and 75 only a minimum of real intensity is contained in the real bundle 16.
  • the polarizers 71 and 79 are optimally aligned with the electro-optically active material 73, however, it can be determined on the basis of imperfections in the material 73 and / or the polarizers 71 and 79 that the real bundle 16 still has a low real intensity. Comparatively high-quality systems are required to achieve absorbance values of 500. In particular, scattered light will also contribute to the light component in the Ucht bundle 13, a component that the greater the divergence of the incident Ucht bundle 12, the greater the wind.
  • FIG. 6 now shows an exemplary embodiment in which two such Pockels cells are connected in series according to the principle explained in more detail in FIG. 2.
  • the same reference numerals thus refer to the same elements as in FIG. 5.
  • the maximum intensity is achieved by applying the respective voltage for maximum transmission to each of the two modulators 50, 50 '.
  • Intermediate values can be set by varying one or both of the voltages applied to the polarization modulators.
  • measured values for the device implemented in the exemplary embodiment of FIG. 1 are given in the attached tables I and II.
  • the respective output power of the Uchtbündels 16 is shown depending on the voltages between the electrodes 74 and 75 and between the electrodes 74 * and 75 '.
  • an extinction of 1: 1,380 of the modulator 50 can be read from Table I.
  • Table II shows an extinction of 1,380: 448,000, that is an extinction of 1: 325, for the second modulator 50 '.
  • the different extinctions of the modulators 50 and 50 ' are due, among other things, to the fact that, firstly, each modulator has specific properties, secondly, when there is a voltage variation on the first modulator 50 and on the second modulator
  • Another modulator can be added for further extinction improvement. This means that components of lower quality can also be used for a good extinction, which, with suitable optimization overall, greatly reduces the costs for a device for modulating real bundles, despite a possible additional modulator.
  • Table I

Abstract

Bei einer Vorrichtung (14) zum Intensitätsmodulieren eines Lichtbündels (12), das in den Eingang eines Modulators (50) einfällt, der mit einem Steuersignal (54) zwischen zwei Zuständen steuerbar ist, bei dem im ersten Zustand ein minimaler Anteil des Lichtbündels (12) sowie im zweiten Zustand ein maximaler Anteil des Lichtbündels aus einem Ausgang des Modulators ausfallen, ist vorgesehen, daß die Vorrichtung (14) zwei oder mehrere Modulatoren (50, 50', 50'') in einer Anordnung aufweist, bei der ein aus einem der Modulatoren (50, 50', 50'') ausfallendes Lichtbündel in den Eingang jeweils eines in Lichtausbreitungsrichtung angeordneten folgenden Modulators (50', 50'') eingeleitet ist, wobei das mittels der Vorrichtung intensitätsmodulierte Lichtbündel (16) aus dem letzten der Modulatoren (50) in der so gebildeten Reihe entnehmbar ist, so daß die Extinktion der Vorrichtung (14) gegenüber der jedes einzelnen Modulators (50) verbessert ist.

Description

VORRICHTUNG ZUM INTENSITATSMODULIEREN EINES LICHTBÜNDELS, EIN HERSTELLUNGSVER- FAHREN FÜR DIESE, EIN VERFAHREN ZUM INTENSITATSMODULIEREN EINES LICHTBÜNDELS SOWIE
VERWENDUNG DER VORRICHTUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Intensitätsmodulieren eines Uchtbflndels, das in den Eingang eines Modulators einfällt, der mit einem Steuersignal zwischen zwei Zuständen steuerbar ist, bei dem im ersten Zustand ausschließlich ein minimaler Anteil des Uchtböndels sowie im zweiten Zustand ein maximaler Anteil des UchtbQndels aus einem Ausgang des Modulators ausfallen. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren für eine Vorrichtung zum Intensitätsmodulieren eines UchtbQndels mit einem Modulator, in dessen Eingang das Lichtbündel einfällt, wobei dieser Modulator mit einem Steuersignal zwischen zwei Zuständen ansteuerbar ist, bei dem im ersten Zustand ausschließlich ein minimaler Anteil des Lichtbündels sowie im zweiten Zustand ein maximaler Anteil des UchtbQndels aus einem Ausgang des Modulators ausfallen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Intensitätsmodulieren eines UchtbQndels mit einem Modulator, in dessen Eingang dieses eingeleitet wird, wobei der Modulator mit einem Steuersignal zwischen zwei Zuständen gesteuert wird, bei dem im ersten Zustand ein minimaler Anteil des Uchtbündeis sowie im zweiten Zustand ein maximaler Anteil des UchtbQndels aus einem Ausgang des Modulators ausfallen.
Wetter bezieht sich die -Erfindung auf Verwendungen dieser Vorrichtung.
Intensitätsmodulatoren für UchtbQndel sind allgemein bekannt Ein Oberblick wird beispielsweise in dem Buch von Werner Hülsbusch, "Der Laser in der Druckindustrie", Vertag Werner Hülsbusch, Konstanz, 1990, Seiten 91 ff., gegeben. Demgemäß kann elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische oder photothermische Modulation eingesetzt werden. Weiter sind Modulatoren mit Streifenwellenleitem aus der DE 19503931 A1 bekannt, bei denen eine Modulation durch die Änderung des effektiven Brechungsindexes mittels Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgem in Halbleitermaterialien erzielt wird. Die Effektivität der Modulation kann dabei im allgemeinen durch einen Aufbau nach Art von Fabry-Perot-Interferometem erhöht werden.
Des weiteren sind in der Praxis elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische und photothermische cut-off-Modulationen bekannt, wobei auch für diese eine Variation des effektiven Brechungsindexes mittels Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgem in Halbleitermaterialien angewandt werden kann.
Außerdem lassen sich eine steuerbare Wellenleiterverstärkung, eine steuerbare Poiarisationsdrehung, eine Wellenleiter-Modenwandlung oder Elektroabsorptionsmodulation zum Intensitätsmodulieren von Uchtbündeln einsetzen.
Von diesen Möglichkeiten sind vor allen Dingen Intensitätsmodulatoren, die den Pockels-
Effekt in einem stabfömiigen Festkörper nutzen, hervorzuheben. Bei diesem Effekt beruht die Intensitätsmodulation auf einer Polarisationsmodulation mittels eines steuerbaren äußeren elektrischen Feldes in Verbindung mit einem - in Uchtrichtung gesehen - nachfolgenden Analysator für die Polarisation. Aufgrund des Pockels-Effekts wind die Schwingungsebene eines einfallenden linear polarisierten Uchtes in Abhängigkeit von der anliegenden Feldstärke gedreht.
Der Pockels-Effekt ist insbesondere wegen der elektrischen Steuerbarkeit mit Hilfe von Spannungen vorteilhaft, aufgrund der auch eine niedrige Schaltzeit erreicht wird. Allerdings sind die benötigten Spannungen für derartige Modulatoren wegen der zu erzielenden
Feldstärke sehr hoch, so daß die Ansteuerspannung nur unter einem gewissen Aufwand erzeugbar ist Deswegen werden in der Praxis häufig auch andere Polarisatoren eingesetzt
Derartige Modulatoren arbeiten in einem begrenzten spektralen Bereich. Deshalb bezieht sich das eingangs genannte eine Uchtbündel immer auf einen Wellenlängenbereich innerhalb der durch die Modulatoren vorgegebenen spektralen Begrenzung.
Insbesondere bei der Erzeugung von Videobildem mittels Lasern bedarf es einer Modulation mit hohen Frequenzen. Diese Videotechnik ist schon seit langem bekannt, beispielsweise wurde sie in einem Artikel von E. Baker. "Laser display technologie" in IEEE Spektrum,
Dezember 1968, S. 47-49, dargestellt Dabei wird zur Erzeugung eines Videobildes ein Laserstrahl auf einem Bildschirm gerastert Die dafür erforderliche Ablenkung erfolgt analog zur Bilddarstellung bei der Femsehröhre, jedoch werden hier keine magnetischen Ablenkspulen oder elektrostatischen Ablenkplatten wie bei einem Elektronenstrahl verwendet, sondern der hier eingesetzte Laserstrahl wird durch schnelle mechanische Winkeländerungen von Spiegeln oder aufgrund akustooptischer Ablenkung gerastert. Dadurch werden auf einem Schirm analog zum bekannten Fernsehbild sequentiell alle Bildpunkte des Videobildes beleuchtet Die Intensität des Uchtbündels wird dabei für jeden Bildpunkt in Uchtausbreitungsrichtung vor dem Rastern, beispielsweise mit einem der genannten Modulatoren, gemäß der zur Darstellung des Videobildes benötigten Intensität gesteuert.
Derartige Modulatoren haben aber für die Bilddarstellung einen wesentlichen Nachteil, denn im Dunkelzustand wird immer noch ein geringer Teil von U'cht durchgelassen, der bei besonders dunklen Videobildern störend wirken kann, denn selbst eine geringe Resthelligkeit der Bildpunkte ist für das Auge eines Betrachters noch wahrnehmbar, da es im wesentlichen eine logarithmische Charakteristik aufweist. Insbesondere macht sich dieser Nachteil bei Planetariumsanwendungen störend bemerkbar, bei denen sehr heile Sterne auf einem nachtschwaizen Himmel dargestellt werden sollen.
Bezüglich der Uchtunterdrückung sind seit den ersten Veröffentlichungen zur Laser-Video- Technik dadurch Fortschritte erzielt worden, daß beispielsweise das polarisierende Material bei Polarisationsmodulatoren und deren Dimensionierung sowie die polarisierenden Bauelemente wie Polarisationsfolien und Polarisationsprismen optimiert wurden. Außerdem wurden auch die Pockels-Zellen so verbessert, daß die benötigte Modulationsspannung für die Intensitätsmodulation verringert wurde. Werter konnten die bei diesem eingesetzten Polarisationsfilter selbst so weit verbessert werden, daß diese Ucht nur in sehr eingeengter
Schwingungsrichtung durchlassen.
Allerdings haben Versuche gezeigt, daß nach einer Justierung von Polarisatoren und Analysatoren eine Abschwächung der ankommenden Laserieistung in Abhängigkeit von der Qualität der Polarisatoren und Analysatoren, beispielsweise bei der Verwendung von Glan-
Thompson-Prismen, immer noch bei einem für die Videoanwendung recht hohen Wert von 125.000 liegt. Durch den Einsatz eines elektrooptischen Polarisationsmodulators zwischen Polarisator und Analysator wird dieses Verhältnis noch erhöht. Die Verschlechterung ist einerseits auf mangelnde Qualität des Modulatormaterials, speziell durch Auftreten von Kristalldefekten zurückzuführen, andererseits sind auch weitere Faktoren maßgebend, die im wesentlichen auf Streulicht und einer geringen Fehlanpassung der Lage der Polarisationsebene von den Polarisatoren bezüglich des elektrooptisch wirkenden Materials zurückzuführen sind. Trotz einer intensiv betriebenen Entwicklung wind mit elektrooptischen Polarisationsmodulatoren in Verbindung mit polarisierenden Bauelementen zur Intensitätsmodulation nur ein Extinktionswert, d.h. das Verhältnis zwischen minimal durchgelassener Intensität zu maximal durchgelassener Intensität, in der Größenordnung von 1:500 erreicht Dieses Kontrastverhältnis ist bei den genannten
Videoprojektionsgeräten, insbesondere für Simulationszwecke, wie bei Flugsimulatoren und Planetarien, unzureichend.
Zum Beispiel muß der Intensitätsmodulator die Intensität des UchtbQndels beim Planetarium trotz einer bei hoher Nennleistung arbeitenden Laserquelle so stark dämpfen können, daß im Projektionsraum völlige Dunkelheit herrscht Dies wurde bisher nur mit mechanisch arbeitenden Blenden zufriedenstellend erreicht, die für Videobilder mit
Frequenzen von einigen Megahertz und darüber jedoch im allgemeinen zu langsam sind.
Nichtmechanische, feldgesteuerte Intensitätsmodulatoren, wie beispielsweise Flüssigkristallmatrizen, sind ebenfalls nicht verwendbar, denn sie lassen im lichtsperrenden
Zustand immer noch so viel Ucht hindurch, daß die Projektionsfläche nicht vollständig dunkel erscheint.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Intensitätsmodulieren eines Uchtbündels, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Herstellungsverfahren für diese
Vorrichtung zu schaffen, bei der eine wesentliche Verbesserung des Intensitätsverhältnisses Dunkel/Hell und insbesondere für Frequenzen von mehreren Megahertz möglich wind.
Die Aufgabe wind gemäß einer gattungsgemäßen Vomchtung dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zwei oder mehrere Modulatoren in einer Anordnung aufweist, bei der ein aus einem der Modulatoren ausfallendes Uchtbündel in den Eingang jeweils eines in
Uchtausbreitungsrichtung angeordneten folgenden Modulators eingeleitet ist, wobei das mittels der Vorrichtung intensitätsmodulierte Uchtbündel aus dem letzten der Modulatoren in der so gebildeten Reihe entnehmbar ist, so daß die Extinktion der Vorrichtung gegenüber der jedes einzelnen Modulators verbessert ist Bei einem Herstellungsverfahren für die
Vorrichtung wird hinter dem aus dem Stand der Technik bekannten Modulator mindestens ein weiterer Modulator angeordnet in den das aus dem ersten Modulator ausfallende
Uchtbündel in den Eingang des weiteren Modulators eingeleitet wird, so daß die -Extinktion der Vomchtung für das entnommene intensitätsmodulierte Uchtbündel gegenüber der jedes einzelnen Modulators verbessert ist. Mit der Vorrichtung läßt sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Intensitätsmodulieren eines Uchtbündels durchführen, bei dem zwei oder mehrere Modulatoren zur Intensitätsmodulation in Uchtausbreitungsrichtung in Reihe angeordnet werden, wobei ein aus einem Modulator ausfallendes Uchtbündel in den .Eingang jeweils eines in Uchtausbreitungsrichtung angeordneten weiteren Modulators eingeleitet wind und das mittels der Vorrichtung intensitätsmodulierte Uchtbündel bei der so entstandenen Reihe aus dem letzten dieser Modulatoren entnommen wird, so daß die Extinktion der Vorrichtung gegenüber der jedes einzelnen Modulators verbessert ist
Man hätte erwartet daß eine Lösung der Aufgabe aus fachmännischer Sicht dadurch herbeigeführt würde, daß die einzelnen Bauelemente von bekannten Modulatoren verbessert worden wären, bzw. daß eine entsprechende Auswahl aus den verschiedenen bekannten Modulatoren getroffen wind, die eine wesentliche Verbesserung für das Extinktionsverhältnis ergibt Dies hätte möglicherweise exakterer optischer Bauelemente bzw. neuerer Anordnungen bedurft, mit denen beispielsweise Streulicht gedämpft werden kann. Allerdings würde man für derartige Lösungen einen, insbesondere durch die geforderte Qualität der Bauelemente bedingten wesentlich höheren Aufwand als bei bekannten Modulatoren erwarten.
Dagegen wird hier zur Lösung der Aufgabe ein ganz anderer Weg beschriften, bei dem man auch sehr einfach aufgebaute Modulatoren, beispielsweise mit niedrigem Extinktionswert, einsetzen kann, die dann in Uchtausbreitungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Aufgrund der erfindungsgemäßen Reihenschaltung kann man prinzipiell das Restlicht eines Modulators mit dem nachfolgenden Modulator noch weiter dämpfen, d.h. durch entsprechende Steuersignale läßt sich ein sehr hoher Extinktionswert einstellen, der sich als
Produkt aus den einzelnen Extinktionen der in Reihe geschalteten Modulatoren ergibt Diese Näherung setzt allerdings voraus, daß der spektrale Bereich aller hintereinandergeschalteten Modulatoren gleich liegt Bei unterschiedlichen Modulatoren mit verschiedenem spektralem Durchlaßbereich, der allerdings auf das Wellenlängenspektrum des einen Uchtbündels abgestimmt ist ist diese Produktregel entsprechend dem spektralen
Durchlaßbereich der einzelnen Modulatoren zu modifizieren.
Aufgrund dieser Überlegungen würde man erwarten, daß sich eine komplizierte Steuerung für die einzelnen Steuersignale zum Ansteuern dieser Modulatoren ergibt indem nämlich beim Steuern von maximal durchgelassener Uchtintensität zu einem Zustand minimaler
Uchtintensität alle Modulatoren für den Durchgang des maximalen Uchtanteils eingestellt werden und dann die einzelnen Modulatoren bei der Ansteuerung zur Verringerung der Intensität nacheinander dunkelgeschaltet werden. Unerwarteterweise hat sich jedoch gezeigt, daß eine erfϊndungsgemäße Vomchtung auch dann mit hohem Extinktionswert betreibbar ist, wenn alle Modulatoren durch gleichzeitiges Ändern der Steuersignale vom Zustand maximaler Ausgangsleistung in einen Zustand minimaler Ausgangsleistung gefahren werden.
Neben dem Vorteil eines guten Extinktionswertes ergibt sich für Pockels-Zellen noch ein weiterer Vorteil. Wie vorstehend schon erläutert wurde, besteht ein wesentlicher Nachteil dieser Pockels-Zellen darin, daß sie mit hohen Spannungen betrieben werden müssen. Aufgrund der erfindungsgemäß erreichbaren -Extinktionsverbesserung lassen sich die
Pockels-Zellen auch mit ausreichend guter .Extinktion durch wesentlich kleinere Steuerspannungen für geringere Extinktion jeder einzelnen Zelle ansteuern, wobei man dann beispielsweise hintereinander geschaltete Pockels-Zellen so anordnet, daß bei Steuersignal Null ein maximaler Lichtanteil ausgekoppelt wird sowie durch Erhöhung des Steuersignals das Licht auf einen Minimalanteil abgedunkelt wird. Diese Verdunklung erfolgt dann im wesentlichen mit einer durch die Anzahl der Pockels-Zellen gegebenen Potenz der Spannung, so daß man wesentlich geringere Spannungen für das Erreichen einer geringen Extinktion benötigt als bei einer einzigen Pockels-Zelle. Bei einer Hintereinanderschaltung beispielsweise von 17 Pockels-Zellen und Ansteuerung mit ungefähr der halben Spannung auf halbe Intensität erreicht man dann einen Extinktionswert von über 1:100.000, also selbst bei verringerter Ansteuerspannung einen wesentlich geringeren Extinktionswert als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Modulatoren, wobei für die einzelnen Pockels-Zellen in der Reihe auch kostengünstige Materialien geringer Qualität einsetzbar sind. Eine Anordnung, bei der die Extinktionen des n-ten Modulators 1:2" ist, ließe weiter auch eine digitale Modulation zu, was die Modulation außerordentlich störunanfällig machen würde.
Wie vorstehend am Beispiel der Pockels-Zelle erläutert wurde, ergeben sich einige Vorteile dadurch, daß die vollständige Intensität bei Signalstärke Null des Steuersignals durchgelassen wind. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dagegen gefordert, daß der erste Zustand für alle Modulatoren bei Signalstärke Null des
Steuersignals eingestellt ist.
Dies ergibt den wesentlichen Vorteil, daß Rauschen, Brummspannungen und ähnliche Störungen auf dem Signal verringert sind, die den erreichbaren -Extinktionswert verschlechtem würden. Man könnte zwar derartige Signalstöruπgen auch elektronisch ausfiltem, man würde aber dabei im allgemeinen auch die Frequenzabhängigkeit der Steuerspannungen unerwünscht mitbeeinflussen. Die folgende Weiterbildung bezieht sich auf Modulatoren, die aufgrund von Polarisationsänderungen arbeiten. Die erste dieser vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Modulator eine durch das Steuersignal steuerbare Einrichtung, die das Uchtbündel in Abhängigkeit vom Steuersignal in zwei
Intensitätsanteile mit voneinander verschiedenen, zueinander orthogonalen Polarisationszustände aufteilt, sowie ein Filter am Ausgang des Modulators aufweist, das nur den Anteil des Uchtbündels mit einem dieser orthogonalen Polaristionszuständen durchläßt und daß diese Einrichtung sowie das Filter von einem der Modulatoren in der Reihe im ersten Zustand für den Durchlaß von Lichtbündeln in einem Polarisationszustand ausgerichtet ist, der dem durch Einrichtung und Filter gegebenen Polarisationszustand des nachfolgenden Modulators orthogonal ist
Dies hat insbesondere den Vorteil, daß die Polarisationsfilter der einzelnen Modulatoren bei Einstellung des ersten Zustands, bei dem kein Licht durchgelassen wird, immer gegeneinander verstellt sind, so daß sich ein besonders niedriger Dunkelwert am Ausgang der Vorrichtung ergibt, ohne daß dabei der Maximalwert der Intensität des Uchtbündels wesentlich beeinflußt wird. Diese Anordnung wind nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher beschrieben, das die dadurch gegebenen Vorteile noch werter verdeutlicht.
Insbesondere zum Erreichen der bei der Aufgabe genannten hohen Frequenz ist es besonders vorteilhaft, wenn die Einrichtung dabei gemäß einer weiterführenden bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Pockels-Zelle ist.
Die Erfindung läßt sich jedoch auch unter Verwendung akustooptischer Modulatoren einsetzen. Diesbezüglich ist eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jeder Modulator eine durch das Signal steuerbare Einrichtung zum Beugen von Ucht zum steuersignalabhängigen Aufteilen des Uchtbündels in Intensitätsanteile zweier unterschiedlicher Beugungsordnungen sowie eine Blende am
Ausgang des Modulators aufweist, die ausschließlich einen Anteil des Uchtbündels in einer der Beugungsordnungen durchläßt, und daß eine Blende eines Modulators bei Steuersignal Null eine Blendenöffnung des folgenden Modulators sichtverhindernd abdeckt
Aufgrund der im Uchtweg hintereinander angeordneten Blenden gemäß dieser
Weiterbildung wird das an jeder Blende möglicherweise entstehende Streulicht oder das gebeugte Ucht aufgrund der Sichtverhinderung wirkungsvoll abgeblockt, so daß auch dadurch in vorteilhafter Weise ein besonders guter Extinktionswert aufgrund Verringerung von Streulichtanteilen erreicht wird. Bei Einsatz von den aus der DE 19503931 A1 bekannten Streifenwellenleitem oder anderen integrierten Modulatoren läßt sich die gesamte Vorrichtung auf einem Substrat als integrierte Optik mit mehreren hintereinandergeschalteten Modulatoren ausführen. Demgemäß sieht eine vorzugsweise
Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Vorrichtung integriert-optisch durch Hintereinanderschaltung mehrerer integriert-optischer Modulatoren auf dem gleichen Substrat ausgebildet ist.
Die folgenden Weiterbildungen der Erfindung betreffen eine Vereinfachung der Ansteuerung aller optisch in Reihe geschalteter Modulatoren, bei denen das Steuersignal für alle Modulatoren gleich sein kann. Demgemäß ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der die Ansteuereignale aller Modulatoren elektrische Spannungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zuleitungen für die Steuersignale zum Zuführen einer einzigen Ansteuerspannung der Vorrichtung parallel geschattet sind. Bei Modulatoren, die beispielsweise aufgrund der Faraday-Rotation der Polarisationsrichtung arbeiten und die deswegen magnetisch angesteuert werden, sind die Steuersignale üblicherweise elektrische Ströme, mit denen Magnetspulen beaufschlagt werden. Bezüglich derartiger für die Erfindung eingesetzter Modulatoren ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Steuersignale elektrische Ströme sind und die Ansteuerungen aller
Modulatoren in Reihe geschaltet sind.
Aufgrund der erreichbaren hohen Extinktionswerte eignen sich derartige Vorrichtungen besonders für ein Videoprojektionssystem, bei dem das modulierte Lichtbündel zeilen- und bildmäßig rastemd abgelenkt sowie auf einen Schirm zur Darstellung eines Videobildes gerichtet wird, wobei das Steuersignal für die Vorrichtung ein Videosignal ist das mit der rastemden Ablenkung synchronisiert ist
Insbesondere ist diese Anwendung besonders dann vorteilhaft, wenn dieses Videoprojektionssystem ein Planetarium ist weil dann alle Sterne auf nachtschwarzem
Hintergrund mit geringem Aufwand darstellbar sind. Jedoch ergeben sich neben diesem Beispiel mit den dort geforderten extremen Werten für Hell und Dunkel auch wesentliche Vorteile für Flugsimulatoren, bei denen sowohl der Nachthimmel als auch beleuchtete Städte gegenüber dem Tageslicht realistisch dargestellt werden müssen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Prinzip noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Videosystem, bei dem die Erfindung vorteilhaft eingesetzt wunde;
Fig.2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise eines akustooptischen Modulators;
Fig.4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund einer akustooptischen Modulation;
Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung der Wirkungsweise einer Pockels-Zelle;
Fig.6 ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Pockels-Zellen als Modulatoren;
In Fig. 1 ist eine Lase rojektionseinrichtung gezeigt, wie sie beispielsweise zur Darstellung von Farbvideobildem bei Videogeräten, Planetarien oder Flugsimulatoren eingesetzt wenden kann. Bei allen diesen Anwendungen ist es zweckmäßig und in einigen Anwendungsfällen sogar gefordert, einen sehr großen Kontrast zwischen Hell und Dunkel zu schaffen, da beispielsweise in einem Planetarium alle Sterne auf einem nachtschwarzen Himmel dargestellt werden sollen. Daher ist eine erfindungsgemäße Vomchtung besonders vorteilhaft bei Einsatz in einem Projektionsgerät gemäß Fig. 1 geeignet
Das Projektionsgerät gemäß Fig. 1 ist auf eine farbige Bilddarstellung ausgerichtet Für die Mischung von drei Grundfarben sind drei Laser 10, 20, 30, von denen drei Uchtbündel 12, 22, 32 ausgehen, vorgesehen, die Ucht geeigneter Wellenlänge zum Erzeugen von
Bildpunkten eines Videobildes aussenden. Die Laser 10, 20, 30 waren im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 statisch betriebene Gaslaser, deren drei Uchtbündel 12, 22, 32 anschließend mit dafür geeigneten Vorrichtungen 14, 24, 34 moduliert wunden. Mit diesen Vorrichtungen 14, 24, 34 wird die Intensität der einzelnen Uchtbündel 16, 26, 36 und damit die Helligkeit und Farbe der Bildpunkte gesteuert, d.h., hier ist die vorher genannte gute Extinktion zu verwirklichen, wie nachfolgend anhand von Fig. 2 bis Fig. 6 eingehend erläutert wird. Die Uchtbündel 16, 26, 36 werden nach Verlassen der Vorrichtungen 14, 24, 34 mittels eines Spiegelsystems 38 zu einem Gesamtlichtbündel 40 vereinigt, welches sich durch das weitere System als Gesamtlichtbündel 40 fortpflanzt.
Das Gesamtlichtbündel 40 wurde im Ausführungsbeispiel durch eine aus einem Polygonspiegel 41 und einem Schwenkspiegel 42 bestehende Ablenkeinrichtung zeilen- und bildmäßig auf einen Bildschirm 43 abgelenkt, um dort sequentiell einzelne Bildpunkte des zu erzeugenden Videobilds zu beleuchten. Dieser Bildschirm 43 kann für die Darstellung normaler Videobilder eben sein, bei Planetarien und Flugsimulatoren wind man diesen allerdings vorzugsweise gekrümmt ausbilden.
Die bei derartigen Laserprojektoren verwendete Rastertechnik ist vom Femsehen mit Bildröhren bekannt. Die hier verwendete Technik unterscheidet sich davon aber dadurch, daß ein Gesamtlichtbündel 40 statt eines Elektronenstrahls zur Generierung von
Bildpunkten des Videobildes eingesetzt wind und die bei Bildröhren übliche magnetische Ablenkung durch mechanisches Rastern mittels Polygonspiegel 41 und Schwenkspiegel 42 ersetzt ist. Das Rastern ist allerdings nicht auf die dargestellten mechanischen Hilfsmittel beschränkt EEs kann beispielsweise auch akustooptisch durchgeführt werden.
Die Intensität der Uchtbündel 16, 26, 36 und damit auch die Helligkeit oder beim Farbvideosystem auch der Farbton der einzelnen abgerasterten Bildpunkte auf dem Bildschirm 43 werden durch Modulation der Uchtbündel 12, 22, 32 mittels der erfindungsgemäßen Vomchtungen 14, 24, 34 über eine Ansteuereinrichtung 44 in Abhängigkeit vom eingangsseitig eingeleiteten Videosignal und von der Ablenkeinrichtung erzeugten Synchronisienungssignalen gesteuert.
Die angestrebte geringe .Extinktion zwischen Dunkelschalten und Hellschaiten wind durch eine Vorrichtung 14 gemäß Fig.2 erzielt, deren interner Aufbau exemplarisch für eine der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtungen 14, 24 oder 34 im Prinzip dargestellt ist. Das Uchtbündel 12 wird dabei in einen Eingang eingeleitet und das modulierte Uchtbündel als Uchtbündel 16 aus einem Ausgang entnommen. Die Modulation erfolgt durch mehrere in Uchtausbreitungsrichtung hintereinanderiiegender, also in Reihe geschalteter Modulatoren 50 und 50', von denen im Ausfuhrungsbeispiel von Fig. 2 exemplarisch zwei, der erste und der letzte, gezeigt sind. Bei entsprechend geringem Wert der Einzel-Extinktion dieser
Modulatoren 50 reicht es im allgemeinen aus, nur zwei Modulatoren hintereinanderzuschalten, d.h. dann das aus dem Modulator 50 ausfallende Uchtbündel 52 direkt in den Eingang eines nachfolgenden Modulators 50* einzuführen.
Die jeweiligen Modulatoren 50 und 50' werden durch hierfür vorgesehene Steuereingänge 54 und 54' mit Signalen beaufschlagt, um die Intensität des Uchtbündels 16 zu steuern. Ist der erste Modulator 50 im Dunkelzustand, kann das Uchtbündel 52 trotzdem eine verhältnismäßig hohe Uchtintensität haben, die beispielsweise durch Materialimperfektionen des Modulators 50 oder Streulicht in diesem Modulator 50 zustande kommt. Der nachfolgende Modulator 50' dämpft also, falls dieser in den Dunkelzustand geschaltet ist, die Intensität des Uchtbündels 52 weiter, so daß für das Lichtbündel 16 eine wesentlich bessere Extinktion durch weitere Verringerung des Uchtanteils des UchtbQndels 52 erreichbar ist, als wenn nur ein einziger Modulator 50 vorgesehen wäre. Dabei könnten die Steuersignale der einzelnen Modulatoren 50 und 50' durchaus unterschiedlich gewählt wenden, beispielsweise kann der erste Modulator 50 bei einem Steuersignal Null an seinem Eingang 54 dunkelgeschaltet sein, während beispielsweise der letzte Modulator 50' bei maximaler Signalstärke an seinem Eingang 54' im Dunkelzustand ist.
Dies ist natürlich bei der Ansteuerung der Modulatoren 50 und 50" zu berücksichtigen. Es hat sich jedoch für den praktischen Betrieb als am günstigsten herausgestellt, wenn die Signale für alle Modulatoren zur Einstellung des Dunkelzustands gleiche Werte haben, da dann eine einfache Parallelschaltung für die Steuersignale, wie durch die unterbrochene U'nie 56 dargestellt ist, möglich wird, wenn die Modulatoren alle vom gleichen Typ sind. Insbesondere hat sich weiter gezeigt, daß die Signale an den Steuersignalen 54 so gewählt werden sollten, daß die Modulatoren 50 und 50' dann die geringste Menge Ucht durchlassen, wenn die Steuersignale an den Eingängen 54 und 54' im Nullzustand sind.
Dadurch ergibt sich nämlich der Vorteil, da erfahrungsgemäß Brumm- oder Rauschspannungen bei Signal Null ebenfalls am geringsten sind, daß die aufgrund dieser Störspannungen durchgelassenen Anteile Ucht weitestmδglich verringert sind und so die größtmögliche Extinktion ohne zusätzlichen Filteraufwand für die Steuersignale zur Erzeugung des Uchtbündels 16 aus dem Uchtbündel 12 möglich wird.
Die vorhergehenden Ausführungen waren auf eine Spannungssteuerung der Modulatoren 50 und 50' gerichtet Wind dagegen ein Strom zur Steuerung der Modulatoren 50 und 50' verwendet, beispielsweise zum Erzeugen eines Magnetfelds für eine Faraday-Rotation der Polarisationsrichtung, sollten die Steuerspulen der Modulatoren 50 und 50' dementsprechend in Reihe geschaltet werden, d.h. alle Modulatoren werden durch denselben Strom hell und dunkel gesteuert, wobei analog zu den obigen Ausführungen der Dunkelzustand der Modulatoren 50 und 50' aufgrund von Aufbau und Anordnung bei Strom Null eingestellt wird. Wie derartige, aufgrund von unterschiedlichen Polarisationen arbeitende Modulatoren aufgebaut und angeordnet werden können, wird nachfolgend an einem in Fig. 6 näher erläuterten Beispiel deutlicher.
Die im Beispiel von Fig. 2 gezeigten Modulatoren können integriert-optisch ausgeführt werden. Besonders reproduzierbar und kostengünstig läßt sich die Vomchtung gemäß Fig.2 herstellen, wenn alle Modulatoren 50, 50' und eventuelle weitere auf einem einzigen Substrat integriert werden.
Anhand der Figuren 3 und 4 soll nun aber gezeigt werden, wie diese Modulation mit Hilfe des akustooptischen Prinzips verwirklicht werden kann. Fig. 3 zeigt dazu beispielhaft einen Modulator 50, der eine sogenannte Bragg-Zelle enthält Diese besteht aus einem für den akustooptischen Effekt geeigneten transparenten Material 60, in dem mit Hilfe eines beispielsweise piezoelektrischen Spannungs-Druck-Wandlers 62 akustische Wellen eingekoppelt werden. An einem gegenüberliegenden Schallabsorber 63 werden die akustischen Wellen vernichtet Diese akustischen Wellen führen im Material 60 lokal zu Änderungen des Brechungsindex, weshalb im Material 60 eine Beugung des unter dem Braggwinkel ΘB einfallenden Uchtbündels 12 erfolgt. Auf den Flächen für den Uchteintritt und den Uchtaustritt am Material 60 ist jeweils eine Beschichtung 64 mit entspiegelnden
Eigenschaften vorgesehen.
Bei geeigneter Frequenz beispielsweise von einer Schallwelle läuft das Uchtbündel 12 nicht nur durch das transparente Material 60 als Strahl nuliter Ordnung 53 hindurch, sondern es wird auch ein zweiter Strahl 52 in einer höheren Beugungsordnung abgelenkt Die Intensität dieses Strahles 52 der höheren Beugungsordnung hängt im wesentlichen von der Höhe der Modulationsspannung des piezoelektrischen Wandlers 62 ab, während der Winkel der Ablenkung durch die Frequenz bestimmt ist. Je höher die durch diesen Wandler 62 erzeugte Amplitude der akustooptischen Welle ist, desto größer wird der Uchtanteil im Strahl 52. Wie man außerdem aus Fig. 3 ersehen kann, muß man im aligemeinen auch mit Streulicht des einfallenden Strahls 12 oder des gebeugten Strahls 52, beispielsweise durch Reflexion am Schallabsorber 63, rechnen, so daß man im Strahl 52 bei einer am Eingang 54 anliegenden Spannung von 0 V nicht unbedingt die Intensität Null in Richtung des gebeugten Strahls 52 erwarten kann.
Zur Verbesserung des Extinktionsverhäitnisses ist eine Hintereinanderschaltung derartiger akustooptischer Modulatoren gemäß Fig. 2 vorgesehen. In Fig. 4 ist das in Fig. 2 näher verdeutlichte Prinzip in Form einer Vorrichtung 14 aufgrund akustooptischer Modulation ausgeführt. Dabei besteht die Vorrichtung aus Material 60, das für akustooptische Modulatoren 50, 50* und 50" geeignet ist.
In der Anordnung gemäß Fig.4 ist der ausfallende Strahl 16 im nicht angesteuerten Zustand der Modulatoren 50, 50' und 50" wesentlich dunkler als im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 und das Extinktionsverhältnis ist wesentlich verbessert, was unter anderem darauf zurückzuführen ist, daß die dargestellten Blenden 67, 67', 67" gegeneinander versetzt sind und so der direkte Durchgang von Ucht stark verringert ist.
Eine aufgrund unterschiedlicher Polarisationsrichtungen arbeitende Intensitätsmodulation ist in Fig. 5 anhand des Prinzips einer Pockels-Zelle näher dargestellt. Auf Polarisationsänderung beruhende Modulatoren haben gegenüber akustooptischen Modulatoren den Vorteil, daß im ausfallenden Strahl nahezu die gesamte Intensität des einfallenden Strahls wiedergegeben ist, im Gegensatz zum akustooptischen Prinzip, bei dem immer ein Intensitätsanteil in anderen Beugungsanordnungen berücksichtigt werden muß.
In Fig. 5 sind unterschiedliche Polarisationsrichtungen mit Kreisen und Strichen dargestellt. Das von der Uchtquelle 10 ausgehende Uchtbündel 12 wind zur Einstellung einer definierten
Polarisationsrichtung zuerst durch einen Polarisator 71 geführt Auf diesen Polarisator kann man jedoch verzichten, wenn das aus dem in Fig. 1 gezeigten Laser 10 ausfallende Uchtbündel 12 selbst schon polarisiert ist. Obwohl dies auch für das Beispiel von Fig. 1 zutraf, wurde im Ausführungsbeispiel trotzdem ein Glan-Thompson-Prisma als Polarisationsfilter 71 eingesetzt um eine möglichst gute Polarisation des Uchtbündels 13 beim Einfall in die Stirnfläche 72 eines elektrooptisch aktiven Materials 73 zu erreichen.
Auf der Oberfläche des Materials 73 sind in bekannter Weise Elektroden 74 und 75 angeordnet. Im Material 73 erfolgt aufgrund des zwischen den Elektroden 74 und 75 anliegenden elektrischen Feldes eine Phasenmodulation des einfallenden Uchtbündels, derart, daß Ucht mit unterschiedlichen zirkulären Polarisationszuständen das elektrooptische Material 73 mit voneinander verschiedenen Geschwindigkeiten durchläuft. Durch die unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten dieser Teillichtbündel mit unterschiedlichem Polarisationszustand fällt aus der Stirnfläche 76 ein Uchtbündel 77 aus, dessen Polarisationsrichtung bei von Null verschiedener Spannung an den Elektroden 75 und 76 verändert wird. Hinter dem elektrooptisch aktiven Material 73 ist im Modulator 50 ein weiterer Polarisationsfilter 79 als Polarisator angeordnet, der im Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Glan-Thompson-Prisma war. Dieser Analysator filtert nur eine einzige Polarisationsrichtung aus, so daß in Abhängigkeit der an den Elektroden 74 und 75 anliegenden Spannung das aus dem Modulator 50 ausfallende Uchtbündel 16 unterschiedliche Intensitäten hat. Die beiden Polarisationsfilter 71 und 79 sind hingegen in senkrecht zueinander stehender Richtung wirkend angeordnet, so daß bei Spannung Null an den Elektroden 74 und 75 nur ein Minimum an Uchtintensität im Uchtbündel 16 enthalten ist. Selbst bei optimaler Ausrichtung der Polarisatoren 71 und 79 zum elektro-optisch aktiven Material 73 ist jedoch aufgrund von Imperfektionen im Material 73 und/oder der Polarisatoren 71 und 79 festzustellen, daß das Uchtbündel 16 immer noch eine geringe Uchtintensität aufweist. Es sind schon vergleichsweise hochwertige Systeme erforderlich, um Extinktionswerte von 500 zu erreichen. Insbesondere wird auch Streulicht zum Lichtanteil im Uchtbündel 13 beitragen, ein Anteil, der um so größer wind, je höher die Divergenz des einfallenden Uchtbündels 12 ist.
In Fig. 6 ist nun ein Ausführungsbeispiel angegeben, bei dem zwei derartige Pockels-Zellen gemäß dem in Fig. 2 näher erläuterten Prinzip hintereinander geschaltet werden. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich damit auf gleiche Elemente wie in Fig. 5. Beim zweiten Modulator 50 wunden allerdings die entsprechenden Bezugszeichen zur besseren
Unterscheidung mit einem Apostroph versehen.
Aus dem Beispiel von Fig. 6 ist deutlich zu erkennen, daß hier nicht einfach zwei Modulatoren 50 und 50' hintereinander geschaltet wurden, sondern die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen vom ausfallenden gegenüber dem einfallenden Strahl ausgenutzt wurden. Dadurch ist es einmal möglich, nur ein einziges Glan-Thompson-Prisma 79 zwischen den beiden Modulatoren 50 und 50' anzuordnen. Weiter ist die Polarisationsrichtung des elektrooptischen Materials 73' senkrecht zu der des Materials 73 des ersten Modulators 50, d.h. bei Spannung Null an den Eingängen 74, 75, 74', 75', 54 und 54' wirken daher alle Bauelemente 73, 79, 80, 73' und 79 einer direkten Uchtfortpfianzung zum Ausgang der Vorrichtung 14 entgegen, so daß mit Hilfe einer geringen Anzahl von Bauelementen nur eine außerordentlich geringe Intensität im Uchtbündel 16 zu erwarten ist.
Die maximale Uchtintensität wird durch Anlegen der jeweiligen Spannung für maximalen Durchlaß an jeden der beiden Modulatoren 50, 50' erreicht. Zwischenwerte lassen sich durch Variation je einer oder beider der an die Polarisationsmodulatoren angelegten Spannungen einstellen. Für die Anordnung von Fig. 6 sind in den beigefügten Tabellen I und II Meßwerte für die im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ausgeführte Einrichtung angegeben. Dabei ist die jeweilige Ausgangsleistung des Uchtbündels 16 in Abhängigkeit der Spannungen zwischen den Elektroden 74 und 75 und zwischen den Elektroden 74* und 75' wiedergegeben. Für die
Meßwerte gemäß Tabelle I wurde die Spannung zwischen den Elektroden 74' und 75' auf 0 V gehalten, während die Spannung zwischen Elektroden 74 und 75 für die Meßwerte in Tabelle II auf denjenigen Wert (250 V) eingestellt wurde, bei dem gemäß Tabelle I eine maximale Ausgangsleistung für das Uchtbündel 16 entnommen wenden konnte. Aus dem Unterschied zwischen Meßwerten bei Spannung 0 V und 250 V an den Elektroden 74 und
75 ist aus Tabelle I eine Extinktion von 1:1.380 des Modulators 50 ablesbar. Tabelle II gibt für den zweiten Modulator 50' eine Extinktion von 1.380:448000, also eine Extinktion von 1:325 wieder. Die verschiedenen Extinktionen der Modulatoren 50 und 50' sind unter anderem darauf zurückzuführen, daß erstens jeder Modulator spezifische Eigenschaften hat, zweitens bei Spannungsvariation am ersten Modulator 50 und am zweiten Modulator
50' eine unterschiedliche Anzahl von Polarisationsfiltern zur Wirkung kommt und drittens der Einfluß von Streulicht aufgrund unterschiedlicher Lichtwege bei den Modulatoren 50, 50' verschieden ist. Aus Tabelle I und aus Tabelle II wird aber vor allem deutlich, daß eine bisher unerreichte Gesamt-Extinktion von 1:448.000 möglich wird. Weiter sind die Spannungen für maximale Intensität an den Elektroden 74 und 75 sowie 74' und 75' gleich, was es gestattet, die beiden Spannungen an den elektrooptisch wirksamen Materialien 73 und 73' bei der in Fig.6 gezeigten Vorrichtung 14 parallel zu schalten.
Die hier erzielte Extinktion von 1:448.000 ist bei herkömmlichen Modulatoren 50 bisher nicht erreicht worden. Insbesondere ist diesbezüglich anzumerken, daß mit einer Anordnung gemäß Fig. 6 auch außerordentlich gute Extinktionen, wenn auch kleiner als in diesem Beispiel, erreichbar sind, wenn die Zwischenelemente 71, 80 und 79 von geringerer Qualität als im Ausführungsbeispiel von Fig. 6 sind.
Für eine weitere Extinktionsverbessening kann man auch einen weiteren Modulator nachschalten. Das bedeutet, für eine gute Extinktion lassen sich auch Bauelemente geringerer Qualität einsetzen, was bei geeigneter Optimierung insgesamt, trotz eines eventuellen zusätzlichen Modulators, die Kosten für eine Vorrichtung zur Modulation von Uchtbündeln stark verringert. Tabelle I
Tabelle II

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (14) zum Intensitätsmodulieren eines Uchtbündels (12), das in den Eingang eines Modulators (50) einfällt, der mit einem Steuersignal (54) zwischen zwei Zuständen steuerbar ist, bei dem im ersten Zustand ein minimaler Anteil des Uchtbündels
(12) sowie im zweiten Zustand ein maximaler Anteil des Uchtbündels aus einem Ausgang des Modulators ausfallen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vomchtung (14) zwei oder mehrere Modulatoren (50, 50', 50") in einer Anordnung aufweist, bei der ein aus einem der Modulatoren (50, 50', 50") ausfallendes Uchtbündel in den Eingang jeweils eines in Uchtausbreitungsrichtung angeordneten folgenden Modulators (50, 50', 50") eingeleitet ist, wobei das mittels der Vomchtung intensitätsmodulierte Uchtbündel (16) aus dem letzten der Modulatoren (50) in der so gebildeten Reihe entnehmbar ist so daß die .Extinktion der Vorrichtung (14) gegenüber der jedes einzelnen Modulators (50) verbessert ist.
2. Vomchtung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zustand für alle Modulatoren (50, 50*. 50") bei Signalstärke Null des Steuersignals eingestellt ist.
3. Vorrichtung (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß jeder Modulator (50, 50*) eine durch das Steuersignal steuerbare Einrichtung (73, 73*), die das Uchtbündel (12) in Abhängigkeit vom Steuersignal in zwei Intensitätsanteile mit voneinander verschiedenen, zueinander orthogonalen Polarisationszuständen aufteilt, sowie ein Filter (79, 79*) am Ausgang des Modulators (50) aufweist das nur den Anteil des Uchtbündels mit einem dieser orthogonalen Polaristionszustände durchläßt und daß diese Einrichtung (73) sowie das Filter (79) von einem der Modulatoren in der Reihe im ersten Zustand für den Durchlaß von Uchtbündeln in einem Polarisationszustand ausgerichtet ist, der dem durch Einrichtung (73) und Filter (79, 79*) gegebenen Polarisationszustand des nachfolgenden Modulators (50*) orthogonal ist.
4. Vomchtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (73, 73") eine Pockels-Zelle ist.
5. Vomchtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß jeder Modulator (50, 50', 50") eine durch das Signal steuerbare Einrichtung (60, 60*. 60") zum Beugen von Ucht zum steuersignalabhängigen Aufteilen des Uchtbündels (12, 52, 52 in Intensitätsanteile (52; 53; 52'; 53'; 52"; 53") zweier unterschiedlicher Beugungsordnungen sowie eine Blende (67, 67', 67") am Ausgang des Modulators (50, 50', 50") aufweist die ausschließlich den Anteil (52, 52', 52") des Uchtbündels (12, 52 52") in einer der
Beugungsordnungen durchläßt und daß eine Blende (67) eines Modulators (50) bei Steuersignal Null eine Blendenöffnung (67*) des folgenden Modulators (50*) sichtverhindemd abdeckt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Vomchtung integriert-optisch durch Hintereinanderschaltung mehrerer integriert-optischer Modulatoren (50, 50') auf dem gleichen Substrat ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale aller Modulatoren (50) elektrische Spannungen sind und alle Zuleitungen (54) für die Steuersignale zum Zuführen einer einzigen Ansteuerspannung der Vorrichtung (14) parallel geschattet sind.
8. Vomchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale elektrische Ströme sind und die Ansteuerungen aller Modulatoren (50) der
Vorrichtung (14) in Reihe geschaltet sind.
9. Herstellungsverfahren für eine Vorrichtung (14) zum Intensitätsmodulieren eines Uchtbündels (12) mit einem Modulator (50), in dessen Eingang das Uchtbündel (12) einfällt, wobei dieser Modulator (50) mit einem Steuersignal zwischen zwei Zuständen ansteuerbar ist, bei dem im ersten Zustand ein minimaler Anteil des Uchtbündels (12) sowie im zweiten Zustand ein maximaler Anteil des Uchtbündels (12) aus einem Ausgang des Modulators ausfallen, dadurch gekennzeichnet, daß hinter diesen Modulator (50) mindestens ein weiterer Modulator (ßO9) angeordnet wird, in dessen Eingang das aus dem ersten Modulator (50) ausfallende Uchtbündel (52) eingeleitet wird, so daß die Extinktion der Vorrichtung (14) für das entnommene intensitätsmodulierte Uchtbündel (16) gegenüber der jedes einzelnen Modulators (50) verbessert ist.
10. Verfahren zum Intensitätsmodulieren eines Uchtbündels (12) mit einem Modulator (50), in dessen Eingang dieses eingeleitet wird, wobei der Modulator (50) mit einem Steuersignal zwischen zwei Zuständen gesteuert wird, bei dem im ersten Zustand ein minimaler Anteil des Uchtbündels (12) sowie im zweiten Zustand ein maximaler Anteil des
UchtbQndels (12) aus einem Ausgang des Modulators ausfallen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Modulatoren (50, 50") zur Intens'itätsmodulation in Uchtausbreitungsrichtung in Reihe angeordnet werden, wobei ein aus einem Modulator (50) ausfallendes Uchtbündel (52) in den Eingang jeweils eines in Uchtausbreitungsrichtung angeordneten weiteren Modulators (50*) eingeleitet wind und das so intensitätsmodulierte
Uchtbündel (16) bei der so entstandenen Reihe aus dem letzten dieser Modulatoren (50, 50*, 50") entnommen wird, so daß die Extinktion der Vorrichtung (14) gegenüber der jedes einzelnen Modulators (50) verbessert ist.
11. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8 in einem
Videoprojektionssystem, bei dem das modulierte Uchtbündel (16) Zeilen- und bildmäßig rasternd abgelenkt auf einen Schirm (43) zur Darstellung eines Videobildes gerichtet wird, wobei das Steuersignal für die Vomchtung (14) ein Videosignal ist, das mit der rastemden Ablenkung synchronisiert ist.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Videoprqjektionssystem ein Flugsimulator oder ein Planetarium ist.
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