DE1572672A1 - Ablenksystem mit einer elektro-optischen Prismenkette - Google Patents

Description

Anmelder: Stuttgart, den 14.September 1967

Hughβa Aircraft Company F 1645 / Centinela and Teale Street Culver City, Ca₀, T.St.A.

Ablenksystem ait einer elektro-optisohen Prismenkette

Sie Erfindung betrifft ein Ablenksystem mit einer elektrooptischen Priemenkette, die aus einer Anzahl räumlich neben» einander angeordneter optisch hintereinander geschalteter elektro-optischer Prismen besteht« Derartige Systeme, die ait Lioht von üblichen oder von Laser-Lichtquellen betrieben werden können, eignen aich insbesondere für steuerbare großflächige Darstellungen«

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BAD ORIGINAL

Die hier betrachteten Darstellungesysteme können dazu verwendet werden, Nachrichten oder andere Informationen weit voneinander entfernton Organisationsgruppen zuzuleiten, die einer zentralen Leitung unterworfen cind« Bisher wurden in derartigen Systemen vorwiegend Kathodenstrahlröhren zur visuellen Anzeige eingesetzt» Ein Nachteil der Systeme mit Kathodenstrahlröhren 1st deren relativ kleine Anzeigefläche Außerdem können derartige Systeme Farbdarstellungen nicht exakt reproduzieren. Dagegen genügen sie den Anforderungen nach hoher Geschwindigkeit, hohem Auflösungsvermögen und genauer Anzeigesteuerung.

Um größere Anzeigeflachen zu erzielen, wurden vielerlei mechanische und andere" Anzeigeverfahren vorgeschlagen. Die meisten mechanischen Systeme sind nicht in der Lage, die erforderliohen hohen Arbeitsgeschwindigkeiten zu verwirk» Hohen«, Bekannte verwirklichte nichtmechanisch· Einrichtungen haben sich als teuer hinsichtlich der Anschaffung und als unhandlich im Betrieb erwiesen,

Mn nichtraechanisohee System, das für Großdareteilungen verwendet werden kann und farbtüchtig 1st, macht von einer elektro-optischen Prisraenkette Gebrauch. Elektro-optische

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Priemen sind in der Fachwelt bekannt und weisen, im Querschnitt betrachtet« Dreieck-Prismen aus bestimmten Stoffen auf, die einen hindurohtretenden Lichtstrahl durch Brechung ablenkenο Diese Stoffe haben zusätzlich die Eigenschaft, daß sie unter dem Einfluß eines durch Anlegen einer Spannung an entgegengesetzte Enden des Prismas erzeugten elektrischen Feldes ihren Brechungsindex proportional zur Feldstärke ändern, wodurch die Ablenkung des passierenden Lichtstrahles verändert wird. Daher läßt sich durch geeignete Steuerung des auf die elektro-optiechen Prismen einwirkenden Feldes die Ablenkung des Lichtstrahles verändern_e Auf diese Weise kann der austretende Lichtstrahl auf jeden einer Vielzahl von Punkten eines Anzeigefeldes gerichtet werden. Eine kenn·» zeichnende Eigenschaft eines elektrooptischen Prismas oder einer derartigen Prismenkette liegt darin, daß ein Strahl nur längs einer Linie abgelenkt wird, so dafl zu einer zweidimeneionaleu Lichtstrahlablenkung auf einem Anzeigefeld mehrere solche Ketten optisch nacheinander angeordnet sein Bliesen? Die Ablenkebenen müssen zueinander senkrecht stehen, so daß bei koordinierter Steuerung der jeweiligen Systeme ein zwei» dimensionales Anzeigefeld entweder nach einem Raster oder in beliebiger Weise abgetastet oder überstrichen werden kanne

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BAD Ori»-c«i

Systeme mit elektro-optische» Priemenketten umfassen eine Vielzahl elektro-optisoher Prismen, die nebeneinander optisoh in Serie angeordnet sind ο Sie C-Aohaen benachbarter Prismen verlaufen parallel zueinander in abwechselnd entgegengesetzten Richtungen, um den gewünschten Effekt zu erzielen· An einander gegenüberliegende Flächen der einzelnen Prismen werden veränderbare elektrische !Spannungen angelegt und dadurch elektrische Felder erzeugt, die eine Steuerung der veränderbaren Ablenkung des durchtretenden Lichtstrahles ermöglichen. Ein Nachteil der seitherigen Ablenksysteme mit elektro-optisohen Priemenketten für die Praxis ist deren außerordentliche Länge, das heifit, daß die für die Grofidarstellung benötigte große Ablenkung und hohe Auflösung eine extrem lange Kette erfordern, die aus einer Vielzahl einzelner Prismen besteht« Unter Auflösung ist die Zahl der möglichen Leuohtpunktpositionen auf dem Anzeigefeld zu verstehen«. Ba jedes einzelne Prisma der Kette sehr teuer ist, ließen die Kosten derartiger Anordnungen eine Verwendung in den meisten Anwendungsfällen nioht zu. Es ist außerdem bekannt; daß der zum Betrieb einer derartigen Anordnung erforderliche Leistungsbedarf der Länge der Anordnung direkt proportional ist, so daß kräftige Leistungequellen bei diesen bisher bekannten Prismenketten-Systemen erforderlich waren.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ablenksystem für Lichtstrahlen mit einer elektrooptischen Priemenkette zu sohaffen, das die erwähnten Nachteile nioht aufweist, sondern bei relativ kleinen Abmessungen mit relativ geringen Kosten herstellbar 1st und trotzdem eine gute Auflösung und starke Ablenkung ermöglicht .

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an einem Ende der Kette ein optisches System zur Fokussierung eines Singangs-Strahlenbündele und weiterhin am mindestens dem gegenüberliegenden Ende der Prismenkette ein Reflektor, der ein aus dem System austretendes Strahlenbündel zur nochmaligen Bildung in die Kette zurückwirft, angeordnet sind«

Auf diese Welse ist es möglich, den Lichtstrahl durch "Falten" mehrfach das System passieren zu lassen, was die Gesamtlänge eines brauchbaren elektro-optisohen Prismenkettensystems entsprechend vermindert und doob die große Ablenkung erreichen läßt, die für die erwähnten Anwendungsfälle erforderlich ist. Auf diese Weise werden nioht nur die Herstellungskosten, sondern auch die Betriebskosten für ein derartiges System wesentlich gesenkt, da im Betrieb zum Erreichen der gewünschten Ablenkung nur eine relativ geringe Leistung erforderlich ist.

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BAD ORiG-INAL

Bei einer Aueführungsform der Erfindung sind eine das Eingangs strahlenbündel vor dem Eintritt in die Prismenkette in einer Richtung seiner Querachnittaebene verdichtende Optik und eine weitere, nach der Reflektion am Spiegel aus dem System austretende Strahlenbündel wieder auf seinen ursprünglichen Querschnitt bringende Optik vorgesehen, Auf diese Art ist es möglich, die Abmessungen der Prismen weiter zu verringern, ohne an Information sau verlieren; Durch diese Verringerung werden sowohl infolge des geringeren Materialbedarfs die Herstellungskosten als auch infolge des geringeren Energiebedarfs die Betriebekosten weiter vermindert»

Bei einer weiteren Ausführungaform der Erfindung sind vor der Prismenkette optisch miteinander fluchtend ein ein Eingangs»Strahlenbündel als ordentlichen Strahl geradlinig durchlassendes Prisma, eine das Strahlenbündel in mindestens einer Ebene beim Fassieren in der einen Richtung verdichtende und beim Passieren in entgegengesetzter Richtung wieder dehnende Optik und eine die Polarisationsebene des Strahlenbündele um einen bestimmten Winkel drehende Einrichtung vorgesehen, Babel weist dae Prisma eine innero reflektierende Fläche auf, die das aus der Kette wieder austretende Strahlenbündel nach dessen zweitem Durchgang durch die die Polarisationsebene verdrehende Einrichtung und durch die Optik als

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außerordentlichen Strahl in eine Ausgangsrichtung ablenkt. Auf diese Weise let es möglich, mit nur einer Optik auszukommen, die doppelt genutzt wird» Außerdem läßt sich diese Anordnung wegen des Wegfalls der sonst seitlich von der Prismenkette benötigten weiteren Optik kleiner aufbauen als die zuvor beschriebenen.

Weitere Einzelheiten_r Merkmale und Vorteile der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert wird» Es zeigen:

Fig« 1 eine Seitenansicht einer üblichen elektro-optischen Prismenkette,

Figo 2 eine scheinatische Darstellung einer Prismenkettenanordnung nach der Erfindung mit zugehöriger Optik, mit der eine Strahlfaltung 1„Ordnung und Verdichtung dee Strahle eradelbar ist,

Fig. 3 eine schematische De.rstellung auf eine bevorzugte Ausführungsform einer elektrooptischen Prismenketten=» anordnung nach der Erfindung, die eine Optik zur Strahl« verdichtung und Strahlfaltung theoretisch beliebig hoher Ordnung aufweist/und
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BAD ORiGINAL

4 eine BoLoinstische Darstellung eigner anderen An Gi-dmuig Jioeli der Kriindung, wit clru· ;in «Ιγι©-·.· ' c-.lektro op-:,; sehen Prismenlu. ' to oX\ r-tz-ahlf: U mi vie et. ('Jifj " „ Ordimug erzi «XI;? γ i fr ,

Wie ea iera i'iiohr.an'i wohl bekannt ißt, I) ο nut ^e η t U kii'n-· optische PriEmenkettensyoteme Kristallprimraon &.us bestimmten Materialien, die nicht nur die Eigenochaft aufweisen» einen durchgehenden Lichtstrahl zu brechen, sondern die außerdem in der Lage sind, ihren Brechungsindex zu verändern, wenn an einander entgegengeuetzten Oberflächen des PriamenkriBtalla eine ein elektrienhes Feld erzeugende Spannung angelegt wird» Die Veränderung des Brechungsindex dos Prismas unter dem Einfluß eines eicktriöolien Feldes ist kennzeichnend iür ferroelolfti'iHChß KriJitaüle. Es sind rereohledene Kristalle allgemein erhältlich} die C.ioae beochriebene Eigenschaft aufweisen» Eines der günßtigston Materialien ist das ale KDP und dessen Isomorphen beltx-.nnto Material, von dem sich herausgestellt hat_f daß en eine-hPl)e optische Qualität E,p.fweißt, und das leicht und mit ge-rin^nii Kosten erLä-3flieh 5«to Im einzelnen ist KVV ein kristalliner- ijtoff _t der genauer unter der Bezeichnung KaliüTidioxidliyfU'.opiKiepbst (lotassiuni dioxide hydrogen phosphate) ■bekennt iet_f dsr cber hier mit seiner üblichen Benennung KDP

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bezeichnet wird« 3Ds versteht sich jedocth, d >ß ^ouuiß der Erfindung auch andere Stoffe mit elektro-oplilö^hön Eigen·· schäften Verwendung finden könne iu

Pig. 1 zeigt eine für den Stand der Technik typische elektrooptische Prismenicetteο Sine Vielzahl' von Priemen 10 sind einander benachbart so angeordnet, daß ihre O-Aohsen ab= wechselnd in die Zeichenebene hinein- und .i.ie ihr herausweißöu. Elektrische Leitungen 12-dienen siwn Anlagen τοη Spannungen und Erzeugern τοη geei#;netGn elektrischen Peldern an entgegengesetzten Oberflächen der Prismen* Natürlich müssen die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Prismen mit einem geeigneten und üblichen elektrisch leitfähigen Material bedeckt sein* dem die Spannung zuführbar ist. Statt dessen kann auch eine bekannte andere Anordnung verwendet werden, bei der die Prismen so angeordnet sind, daS ihre C-Aohaen in einer Richtung, beispielsweise in die Zeichenebene hineinweisen. Diese Anordnung verlangt jedoch, daß jedes Prisma ein unabhängiges elektrisches Feld erhält, und hat den. Nachteil, daß auf beiden Seiten der Anordnung ein Störfeld auftritt.

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Ein Lichtstrahl 14 dringe an d-u· linken Grnnziläche in System ein und wird fort l.&uf und bJLs «um Auatrifetepunkt der Fläche 16 gebrochen; die ruvrciinale Ab.¹ onlumg de3 Stz ist durch die angegebene Au*: fcrlt tu richtung eines Stra'nls dargesteLlto Die jeweilige t tr ah !ablenkung ,i»des Systems l3t auf einfache Weise duroh Verändern der λλ die Prismen innerhalb des Systema angelegten elektrischen Feiner steuerbar, so daß die Ablenkung des auftretenden Strahles in der Zoiühnungsebeno nach Wunsch einstellbar leb..

Wie schon erwähnt, sind diese Systeme wogen der Vielzahl . der einzelnen Prismen, die zur Erzielung der Auflösung, wie sie bei der Anwendung In Darstallungsvorriohtungen mit großem Bildfeld gefordert wird, benötigt wird, überaus teuer. Die Vielzahl der Prismeneinheiten erfordert außerdem eine hohe Speiseleistung.

In 71g. 2 ist eine Faltung erster Ordnung des Strahles reranschaulioht. Sin Strahlenbündel 20 tritt in ein aus den Linsen 22 und 24 bestoh.mdea optisches System ein, das das Strahlenbündel in einer Richtung "verdichte Ii₁ die senkrecht zu der "Ebene steht, in der das Strahlenbündel abgelenkt werden soll. Bo verläßt ein ziemlich dickes zylindrisches Licht-

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bündel 20 mit gleichförmigem Kroisquerschnitt die linse 24 ar.a Strahlungobündel 26 mit rechteckiger" Querschnitt_s das 5ji der Zeichenebene zur Verkleinerung seiner "voxtikelen Ausdehnung verdichtet vrurdo. Eine elektro-optische rrismenketto 28 umfaßt Prismen 30 in der bereitß beschriebenen Anordnung. Benachbart sur AnatrittHflache 34 doa Systqras 20 lot ein Spiegelreflektor 32 -mgeordnetc Baß {Strahlenbündel tritt durch die Fläche 36 in daß System 28 ein, erfährt dabei eine erste Ablenkung, rerläßt daa System durch die Fläche 34, wird vom Spiegel 32 in daa System 28 p.mUcVgeworfen und tritt, an der Fläche 36 als Strahlenbündel 40 wieäor ausο Beim zweiten Passieren dom Systems 28 wiifd das Strahü enbündel ein zweiten Mal ab£,e3enlct_f so daß der Sintrittrastrahl 26 eine GesamtablonLunr: orfälirts (13e alch aus (Igν Summe der Ablenkungen bei jodma Durch^an^: zuBFraniennetato. Έα kann davon gesprochen werden, daß das StrphloijfbüiideX durch die elektrooptische Prißinenkette "hi'idurchgefaltet" wird. Das austretende iitJ.-alileiiliüiidel 40 vii'd von öinem Spiegel 42 in ein aus Linsen 44 und 46 bößtehcnßca optiechen Systom geworfen, das das Strahlenbündel in der luolituug dehnt, in der es rerdichtet war, bc daß sich ein Aus£ang8~£trj.iilenfoündel 48 ergibt, daa die gleiolic Querschnittsgröße und -gestalt aufv/eiet wie

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das Eingangs-Strahlenbündel 20ο Eq wird besondere darauf hingewiesen, daß bei einer Verdichtung des Strahlenbündele In einer Richtung senkrecht zur Ablenkebene die sich ergebende Auflösung für Anseigezweoke nicht betinträchtigt wird.

Fig» 3 zeigt ein Faltesyeten, bei dem von einer Faltung n-ter Ordnung gesprochen werden kanne Wieder wird ein Eingangs» Strahlenbündel 50 durch optische Linsen 54'und 56 in einer Dimension verdichtet und ergibt dann das Strahlenbündel 52ο Das Strahlenbündel 52 tritt durch eine Fläche 58 in die elektro-optische Prismenkette 60 ein und durohläuft sie als sohmales Strahlenbündel, das auf den oberen Teil der Oberfläche eines Spiegels 62 trifft, der in der Nähe der Fläche 64 der Kette 60 angeordnet istβ Ein zweiter Spiegel 66 überdeckt einen Abschnitt der Fläche 58 des Priemensysteme und empfängt das vom Spiegel 62 zurückgeworfene Strahlenbündel, das er seinerseits wieder zum Spiegel 62 zurückreflektiert. Das Falten und wiederholte Hindurchschicken des Strahlenbündele durch die Kette 60 kann beliebig oft erfolgen. Ein kleiner Abschnitt 68 der Fläche 58 befindet sich unterhalb der reflektierenden Oberfläche des Spiegels 66. Das auf diesen Abschnitt auftreffende gefaltete Strahlenbündel 70 kann das System verlassen und auf eine reflektierende Oberfläche 72 fallen, die

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optisch ait Linsen 74 und 76 fluchtet, die das in einer Richtung verdichtete Strahlenbündel wieder dehnen und ein AusgangB-Strahlenbündel 76 liefern, dessen Quersohnittagröße und -form denjenigen des Eintrittö-Strahlenbündels 70 gleich sind. Es ist klar, daß eine Verwendung des Systeme naoh Fig. 3 dem Konstrukteur die Möglichkeit gibt, so Tiel Durohgänge oder Uelenkungen des Strahles vorzusehen, wie zur Ersielung der gewünschten Oesantablenkung erforderlich sind.

Figo 4 zeigt ein gegenüber der Anordnung nach Fig. 3 etwas abgewandeltes System, das ein Gran-Thompson-Prisma 82 aufweist. Bei diesem System läßt das Prisma parallele Eingangs-Strahlettbündel 80 als ordentlichen Strahl geradlinig passieren und an einer Oberfläche 84 austreten, damit es zur Reduzierung*, seines Queraohnitts Linsen 86 und 88 passiert. Im Wege des verdiohteten Strahlenbündele befindet sich eine die Polarisationsebene drehend· Einrichtung 90, die die Polarisationsebene des Lichtes ua 45° dreht. Der gedrehte Lichtstrahl wird Jetrfc auf eine elektro-optische Prisnenkette 94 gerichtet,' das er zur Erzielung einer geeigneten Ablenkung passiert und an dessen Ende er dfcrcb einen Spiegel 96 reflektiert wird. Der Spiegel 96 sohiokt den Strahl wieder durch das System 94

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zurück* worauf der 8tr;.hl erneut die dia }. olari^ationeebene drehende Einrichtung 90 _t .u ?io.rt, il it ^eino Polarisationsebene uouhi»e.l3 um 45° ^ο··γο]·ϊ wir^. '.>);..& fitrahlenbündol wird dann.duroh die Linnen ßb und 86 vied-jr , uf leinen ursprünglichen Querschnitt g· or acht und dringt dann ale auLerordentlioher Strahl} mit einer ua 90° gegenüber dem ordontliehen Strahl 60 gedrehter Polarisationeobene in de· Prieia 62 ein, so dad er infol^j der Bigenechaften des Friapaa an der Winkelfläohe 93 reflektiert wird» Danach wird das Auegango ötrahltnbündel 100, das in seinen Quereohnitts-Abneuaungen dea Bingangs-StraulenbVndel QO glßioh iot, projiziert. Di· Verwendung einer die Polarisationsebene drehenden Einrichtung ermöglicht eo, die ger/dnaohte Ablenkung dadurch Zr₁ araielen, daß tlio btrahleab* ui'nl dia Ketto 94 in eiitge£,ui ^ Richtungen gleichzeitig durc iluufen.

Ϊ8 int ersichtlich, dau nino Vorriohfung mit ainer elektrooptiaohen iriimenXatte geschliffen vrrde, bui dor die Zahl an einnelnen friamen, ale fur Sraielung einer hoMen Ablenkung betätigt /ird, weeemtlloh reruindert litt.Das 8yateJi er* .g^bt die fü* Qro'inMi-eeiii/Ie ifcungen der auf or erwüihiitcn Art •rforlerliohf Qofj.iiatttblf nkujig. Dleae Ge ;».ali,blunkuni; v/ird qhno Yerluit an AUil^iuiig «rrtiahli i^wpjl df s btraiiienlüÄJ#l in

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eintr «einer Querdimeneionen verdichtet wird. Dae vielmalige aufeinanderfolgende Passieren des Strahlenbündel durch die optische Ablenkeinrichtung und das darauffolgende Wiederherstellen seiner Größe ermöglicht die endgültige Projektion auf die zweckentsprechend angeordnete und verbesserte Anzeigefläohe. Die dargestellten Einrichtunger, sind, verglichen mit bekannten derartigen Einrichtungen, wirtschaftlich und vorteilhaft, sowohl bezüglich des Einrichtungsaufwandes als auch bezüglich des Leieturigaverbrauche beim Betrieb.

Sie dargestellten Ausführungeformen dienen lediglich der Erläuterung und stellen keine Begrenzung der Anwendung der Erfindung dar, die vielfältigen Modifizierungen unterworfen werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (1)

1. Patentaneprücho

   AMenlrnystem mit einer elektrooptischen Prisraenkette, die aufci einer Anzahl, räumlich nebeneinander angeordneter, optisch hintereinander geschalteter elel:t.ro opii ochm Priemen bciitoht, dadurch gekennzeichnet, ftvü an einem Ende der J otte ©in optisches fiystem (22 _f VA ) zur Frlum-* sierunß einen Elngangs-Strahlenbilndel« [VO) und weiterhin am mindcBti.ns iU-ux f/egentibern-iegonden Ende (ior Prinmnnliette (PB) ein IteiJektor (32)_f der ein aus dor Kette auatretendes Strahlenbündel ?λ\τ nocUmaligen Brechung in die Kette zurück\rlrftf angeordnet sind ο

   2c Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch daß das opHnoJic Syntem (2^f 24) das $3 btindel (2C) vor den Polensaleren in einer Jdohtung seines ¹ uornohniiifiQhaw. vordichtet und ein weiterura optiachoo System (4';. 16) r(?iv<e8elieii int» daa doe nnc'i der lieflc-i'tion hub dem G./t-'.tora austretende Strahlenbündel (ΊΟ) wioooj auf den ursprtii4glic-hsn Querschnitt bringt ο

   3e Ablcnkßyetiπ nach Anspruch 1 oder 2, dedurcit /;eki?nu?,^iöhnct_s daß an beiiion Enden der Prienen1:ette (60) dpa Btrahlr- -ijümlel vfieierho.lt durch die Anoi'änung leitende Hei"'rl·;irren \^r'2 \mü (56) vorge:.' ^u>:u ij.n(\.

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   Ablenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangs-Strahlenbündel in Bezug auf die Längsachse der Prismenkebte unter einem kleinen Winkel fokussiert isto '

   5ο Ablenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein das aus dem System austretende Strahlenbündel auf ein weiteres optisches System (74? 76) richtender Heflektor- (72) vorgesehen 1st.

   ή, Ablenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geVmn&solohnot, daß sich die nebeneinander angeordneten Prismen (30.) der Kette (28) berühren.

   7* Abi :.iiK.syB*-<am nach Annpruoh 1_S dadurch gekennzeichnet, hiü vor dor .Prlniuonketto (94) optisch miteinander fluchtend ein ein Iiingangö~St?.ahlenbUndel (80) als ordentlicher »ilvihl uxiii.i geradlinig durchlaufendes Prisua (02), eine ,'.Ui irirahlonbündal in mindeotena alnor JBbena bQiiji Passiören >''-■ 0<}£ einsn Richtung ^ordlühtenoe und beim PasHleran in f>iit;ga^engeaet2Ler Ri oh tür έ'; dehnanrta !;^tik (86, Bd) und eine div. . dlu'Li tbioiiaebaao Ooü fj trabüjr.n^nduls ,92) \:u\ >)ii^ii h ifjtLmmten Winkel drehünda liinrLc.iüimg (90) vnrgesoher

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   sind und daß das Trlama eine innere reflektltrande Flachs (98) aufweist, die das auo der Kette wiedor austretende Strahlenbündel nach dessen av/el'tem Durchgang durch die die Polarisationsebene yerdrehunda Einrichtung und durch die Optik in eine Ausgangsrichtung ablenkt»

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