DE1639277B2

DE1639277B2 - Elektrooptische modulationseinrichtung

Info

Publication number: DE1639277B2
Application number: DE1968J0035679
Authority: DE
Inventors: Gordon George WeIwyn Garden City Hertfordshire Scarrott (Großbritannien)
Original assignee: International Computers And Tabulators Ltd., London
Priority date: 1967-02-18
Filing date: 1968-02-09
Publication date: 1977-06-30
Also published as: FR1555078A; US3531181A; SE347622B; GB1184802A; DE1639277A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elekrooptische Modulationseinrichtur g, bei der zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren eine Matrix von selektiv anstouerbaren elektrooptischen Elementen angeordnet ist, bei der an das elektrooptische Material jedes Elementes zwei aufeinander senkrecht stehende elektrische Felder unabhängig voneinander anlegbar sind, deren Richtungen senkrecht zur Lichtstrahlrichtung und parallel zu jeweils einer der Polarisationsebenen der beiden Polarisatoren orientiert sind und die sich bei gemeinsamem Anliegen überlagern, wobei nur bei gemeinsamem

ίο Anliegen Lichtdurchgang durch die Einrichtung zustandekommt

Elektrooptische Modulationseinrichtungen dieser Art sind bereits vorgeschlagen worden, beispielsweise in der DT-PS 14 89 995. Eine derartige Einrichtung weist zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren eine Matrix aus selektiv steuerbaren elektrooptischen Elementen auf, und es können mit dieser Matrix zwei senkrecht aufeinanderstellende elektrische Felder dem elektrooptischen Material eines jeden Elementes aufgegeben werden, wobei die Richtung dieser Felder vertikal zur Richtung eines aufgebrachten Lichtstrahls und parallel zu den Polarisationsebenen der beiden Polarisatoren verläuft, und wobei die Felder überlagert werden, wenn sie miteinander angelegt werden, so daß ein resultierendes Feld erzeugt wird; ein Lichtdurchlaß durch ein elektrooptisches Element wird nur erreicht, wenn beide Felder an das Element zusammen angelegt werden.

Wie in DT-PS 14 89 995 dargestellt, besteht die Matrix aus einer Vielzahl von elektrooptischen Schaltern, deren jeder ein Element aus elektrooptischen! Material, z. B. Nitrobenzol aufweist, das zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordnet ist und das mit Elektroden versehen ist, die elektrischen Felder an das Element in Richtungen parallel zu den Polarisationsebenen der Polarisatoren anlegen. Der Schalter läßt kein Licht durch, wenn keine Spannung an die Elektroden oder wenn Spannung nur an eine Elektrode angelegt wird. Das Anlegen entsprechender Spannungen an beide Elektroden erzeugt ein elektrisches Feld in dem Element in einer Richtung von 45 gegen die Polarisationsebenen. Das Element erzeugt eine Phasendifferenz zwischen Lichtkomponenten parallel und senkrecht zu dem elektrischen Feld. Infolgedessen tritt linear polarisiertes Licht, das auf das Element auffällt, mit elliptischer Polarisation aus. Somiit kann ein wesentlicher Teil des auf den Schalter fallenden Lichtes von dem Schalter durchgelassen werden.

Die Phasendifferenz zwischen den Lichtkomponenten, die durch ein solches Element erzeugi: werden, ist von der optischen Bahnlänge in dem Element, dem Material, aus dem das Element hergestellt ist, und der Stärke des elektrischen Feldes abhängig. In einem speziellen Ausführungsbeispiel würde eine Bahnlänge von etwa 2 cm notwendig sein, falls Nitrobenzol als

elektrooptisches Material verwendet wird. Die öffnung eines solchen Elementes kann einige cm² betragen, so daß das Volumen des Materials in dem Element etwa 5 bis IO ecm betragen kann. Die elektrostatische Energie, die in einem solchen Volumen gespeichert ist, ist verhältnismäßig groß, und es ist ein Steuersignal hoher Leistung erforderlich, um den Schalter innerhalb kurzer Zeit zu betätigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die

'>> es ermöglicht, bei der Modulation des Lichts schnelle Phasenänderungen mit verhältnismäßig geringen Steuerleistungen zu erzielen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch

gelöst, laß die Länge der elektrooptischen Elemente in Lichtstrahlrichtung erheblich größer als ihre Ausdehnung in Querrichtung ist, daß sich jedes elektrooptische Element in einem länglichen Behälter befindet, an dessen Wandungen achsparallele Elektroden zur Erzeugung der elektrischen Felder angebracht sind, daß jedes elektrooptische Element von einem Material mit niedrigerem Brechungsindex so umgeben ist, daß der Lichtstrahl beim Durchgang innen an der Grenzfläche totalreflektiert wird, und daß der Lichtstrahl eine Divergenz von weniger als 2° besitzt

Im Falle vorliegender Erfindung werden die Elektroden nicht direkt auf das elektrooptische Material aufgetragen, und dieses Material nimmt nicht die Form einer Einkristallebene ein. Somit werden individuelle Elemente der Matrix getrennt in Behältern aufgenommen und die Elektroden werden an den Wändtn der Behälter vorgesehen. Dies ermöglicht, die Länge eines Elementes in der Richtung des auftreffenden Lichtstrahles wesentlch größer als seine Breite in einer Richtung quer zum Strahl zu machen; da die Elektroden sich über die gesamte Länge des Elementes erstrecken können, ist auch wesentlich weniger Energie erforderlich als bei bekannten Einrichtungen, um einen einwandfreien Betrieb zu erhalten. Darüber hinaus wird die elektrische Feldverteilung wesentlich verbessert In der Praxis macht die Verkleinerung der Breite eines Elementes zur Erzielung einer optimalen Energieeinsparung erforderlich, daß der auftreffende Lichtstrahl eine begrenzte Divergenz besitzt.

Neben diesen wesentlichen Vorteilen beim Betrieb einer derartigen elektrooptischen Matrix, ergeben sich weitere technische Vorteile. Beispielsweise können die Wände der Behälter zweckmäßigerweise durch Aneinanderreihen einer Anzahl identischer ebener Bauteile ausgeführt werden, die einfach und billig in einem Stanzvorgang hergestellt werden. Ferner nehmen diese Wandbauteile zweckmäßigerweise die Elektrodenmuster auf ihren Stirnflächen auf, und die Matrix wird insofern vereinfacht, als die Elektroden eines einzigen Wandbauteiles gemeinsam verbunden werden können.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

F i g. 1 zeigt teilweise im Schnitt die Ansicht einer Matrix von elektrooptischen Vorrichtungen,

Fig.2 den Aufbau einer Elektrode für die Matrix nach Fig.! und

F i g. 3 die Matrix in Verbindung mit einer Informationsspeichervorrichtung. .SO

Eine Matrix aus quadratischen Zellen ist durch zwei Gruppen von dünnen, rechteckförmigen gedruckten Schaltungen 1, 2 ausgebildet, die rechtwinklig zueinander verlaufen. Jede Schaltplatte 1,2 weist einen Satz von im Abstand angeordneten parallelen Schlitzen 3 auf, die von einer Kante der Schaltplatte zur Mitte derselben reichen. Die Gruppe von Schaltplatten 1 ist mit ihren geschlitzten Kanten am weitesten unten angeordnet, und die Gruppe von Schaltplatten 2 mit ihren geschlitzten Kanten am weitesten oben, so daß die '«> beiden Gruppen von Schaltplatten ineinandergreifen. Die quadratischen Zellen, die durch die Schaltplatten I₁ 2 gebildet sind, sind etwa 1 mm breit und 20 mm lang. Jede Schaltplatte 1, 2 nimmt eine kammförmige Elektrodenanordnung 4 auf jeder Seite auf (vgl. F i g. 2). "-Der Einfachheit halber sind die Elektroden 4 in Fig. 1 nicht gezeigt. Die Elektrodenanordnungen 4 auf den Schaltplatten 1 sind mit einer X-Steuerungsquelle 5 und die Elektrodenanordnungen 4 auf den Schaltplatten 2 mit einer V-Steuerungsquelle 6 verbunden.

Eine Röhre aus Borsilikatglas 7, die etwa einen Durchmesser von 1 mm und eine Länge von etwas mehr als 2 cm aufweist, wird in jede Zelle der Matrix eingesetzt Vorzugsweise vor dem Einsetzen der Röhren 7 werden die Enden der Röhren 7 abgeschlossen, so daß die gesamte Matrixanordnung in eine Vergußanordnung 8 eingesetzt werden kann, damit die Schaltplatten und die Röhren miteinander in einer festen Masse verbunden werden. Die Oberflächen 9 und 10, die die Enden der Röhren 7 aufnehmen, sind soweit flachgeschliffen, daß die Enden der Röhren 7 offen sind. Diese Flächen 9 und 10 werden dann mit einem lichtundurchlässigen Oberzug (nicht dargestellt) bestrichen, so daß Licht von einer Fläche zur anderen nur durch die Räume innerhalb der Glasröhren 7 übertragen werden kann.

Der Raum innerhalb einer jeden Glasrohre 7 ist vollständic mit Nitrobenzol ausgefüllt, indem die Matrixanordnung in einen Nitrobenzolbehäher (nicht gezeigt) eingesetzt wird. Der Brechungsindex des Glases, aus dem die Röhren 7 hergestellt sind, gegenüber dem von Nitrobenzol ist so gewählt, daß die Lichtstrahlen eines etwa parallelen Lichtbündels, das längs der Achse einer Röhre gerichtet ist, an der Grenzschicht zwisrhen Glas und Nitrobenzol innen total reflektiert wird. Somit verhalten sich die dünnen säulenförmigen Elemente 11 aus Nitrobenzol innerhalb der Röhren wie Lichtführungen, und auf eine Fläche 9 der Matrix auffallendes Licht wird längs der Elemente übertragen und tritt aus der entgegengesetzten Fläche 10 der Matrix aus.

Die Matrix nach Fig. 1 ist in Fig. 3 in einer Informationsspeichervorrichtung gezeigt, wo sie zur Beleuchtung ausgewählter Flächen eines fotografischen Filmes verwendet wird, welcher Daten speichert. Eine polarisierende Schicht 12 ist in der Nähe der Fläche 9 der Matrix angeordnet und eine ähnliche polarisierende Schicht 13 in der Nähe der Fläche 10 der Matrix. Die Polarisationsebenen, die durch Pfeile 14, 15 der polarisierenden Schichten 12,13 angedeutet sind, stehen senkrecht aufeinander und sind parallel zu den Schallplatten 1 und 2 ausgerichtet. Licht aus einer Lampe 16 oder einer anderen Lichtquelle wird durch ein Linsensystem 17, z. B. Fresnel-Linsen, zu einem etwa parallelen Strahlenbündel fokussiert, das auf den Polarisator 12 gerichtet wird. Das eben polarisierte Lichtstrahlenbündel, das aus dem Polarisator '2 austritt, fällt auf die Oberfläche 9 der Matrix und wird durch das Nitrobenzol in den Glasröhren 7 übertragen. Da das Lichtstrahlenbündel durch den ersten Polarisator jedoch in einer Richtung senkrecht zur Polarisationsebene des zweiten Polarisators 13 eben polarisiert wird, wird Licht, das aus den Zellen der Matrix austritt, durch den zweiten Polarisator 13 blockiert.

Die .Y-Steuerungsquelle 5 ist in der Weise betätigbar, daß sie eine Spannung zwischen den Elektroden 4 auf den Stirnflächen von jeweils zwei ausgewählten benachbarten Schaltplatten 1 anlegt, so daß ein erstes elektrisches Feld an allen Reihen von Elementen Il aus Nitrobenzoi, die zwischen den ausgewählten beiden benachbarten Schaltplatten 1 angeordnet sind, erzeugt wird. In ähnlicher Weise ist die V-Steuerungsquelle 6 in der Weise betätigbar, daß eine Spannung zwischen den Elektroden 4 jeweils zweier ausgewählter benachbarter Schaltplatten 2 angelegt wird, damit ein zweites elektrisches Feld senkrecht zum ersten elektrischen

Feld an allen Spalten der Elemente 11, die zwischen den ausgewählten beiden benachbarten Schaltplatten 2 angeordnet sind, erzeugt wird. Das Element 11, das in der ausgewählten Reihe und in der ausgewählten Spalte angeordnet ist, wird den ersten und zweiten senkrecht s aufeinanderstellenden elektrischen Feldern und damit einem resultierenden elektrischen Feld bei gleich großen Feldern in einem Winkel von 45° gegen die Reihen und Spalten der Elemente ausgesetzt. Alle anderen Elemente der Matrix werden entweder dem ,₀ ersten oder zweiten Feld oder keinem elektrischen Feld ausgesetzt.

Es läßt sich zeigen, daß die Intensität des durch den zweiten Polarisator 13 übertragenen Lichtes proportional sin² 2 θ sin² (B/2) ist, wobei θ den Winkel zwischen der Polarisationsebene des auf die Zelle auffallenden Lichtes und der Richtung des elektrischen Feldes und B die Phasendifferenz ist, die durch die Zelle für Lichtkomponenten parallel und senkrecht zur Richtung des Feldes erzeugt wird. Der Ausdruck sin² 2 θ hat den ₂₍ Wert Null für θ = 0,90,180 und 270° und den Wert 1 für θ = 45.135.225 und3l5°.

In vorliegendem Falle sind die Felder parallel und senkrecht zur Polarisationsebene des Polarisators 12. so daß entweder das erste oder zweite Feld allein keine Übertragung von Licht ergibt. Die Intensität des übertragenen Lichtes ist jedoch ein Maximum, wenn das angelegt Feld im Winkel von 45° zur Polarisationsebene des Polarisators 12 steht. Wenn sowohl das erste als auch das zweite elektrische Feld an ein Element 11 y angelegt werden, bewirkt das resultierende Feld, daß das durch das Element hindurchtretende Licht elliptisch polarisiert wird. Infolgesessen wird ein Teil des aus diesem Element austretenden Lichtes den zweiten Polarisator 13 passieren. ?■

Das Licht, das von dem zweiten Polarisator 13 durchgelassen wird, wird durch ein zweites optisches System 18. das eine Fresnel-Linse aufweisen kann, auf eine Speicherfläche einer optischen Speicherplatte 19 fokussiert. Verschiedene Flächen der Platte 19 können _A selektiv dadurch beleuchtet werden, daß sowohl das erste als auch das zweite elektrische Feld an das Element 11 angelegt werden, das der ausgewählten Fläche entspricht.

Die Speicherflächen sind transparent oder lichtundurchlässig, je nach der durch die Fläche dargestellten Information. Eine Fotozelle 20 ist hinter der Speicherplatte 19 angeordnet und auf diese Weise wird der Aussagewert der Information, die in einer Fläche gespeichert wird, welche aufgrund des entsprechenden Elementes 11 das zwei senkrechten elektrischen Feldern

.is ausgesetzt wird, beleuchtet ist, dadurch bestimmt, ob die Fotozelle 20 einen Lichtdurchlaß durch die Platte 19 anzeigt oder nicht. Elektrische Signale aus der Zelle 20 werden einer Auswerteinrichtung, z. B. einem Verstärker 21 zugeführt.

Die Anwendung einer länglichen Form für das elektrooptische Material, in vorliegendem Falle Nitrobenzol, bei dem der Querschnitt sehr viel kleiner als die Länge ist, bewirkt eine wesentliche Verminderung des Materialvolumens im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen. Es wurde oben ausgeführt, daß die elektrostatische Energie die in dem Material gespeichert ist, eine Funktion des Materialvolumens ist. Somit ermöglicht das verringerte Volumen der Ausführungsform nach vorliegender Erfindung, daß die elektrische Antriebsenergie für die Matrix vermindert wird.

Aus Gründen der einfacheren Beschreibung wurde angenommen, daß bei fehlenden Feldern das Licht, das aus der Matrix austritt, in einer Richtung genau senkrecht zur Polarisationsebene des zweiten Polarisators linearpolisiert ist und daß entsprechend das Licht total gesperrt wird. Dies trifft in der Praxis nicht zu. Erstens wird für jeden Lichtstrahl, der von einer Oberfläche reflektiert wird, die nicht parallel oder senkrecht zur Polarisationsebene der Strahlen reflektiert wird, die Polarisation leicht elliptisch. Zweitens tritt eine geringe Übertragung von Licht (Durchlaß) auf. das durch beide Polarisatoren in einem Winkel zur optischen Achse verläuft. Diese beiden Einflüsse erzeugen einen bestimmten Lichtdurchlaß, wenn kein Lichtdurchlaß auftreten soll, was das Signal/Rauschverhältnis des Systems herabsetzt Beide Einflüsse sind eine Funktion des Winkels der Lichtstrahlen und man hat festgestellt, daß sich in der Praxis keine Schwierigkeiten ; ergeben, falls das Strahlenbünde! so ausgebildet ist, daß die Lichtstrahlen um nicht mehr als 2° von der Achse des Strahlenbündels divergieren.

Die Verwendung eines kreisförmigen Querschnitts für das elektrooptische Material ist zweckmäßig, weil hierfür geeignete Glasröhren einfach zur Verfügung stehen. Es können jedoch auch andere Querschnittsformen, z. B. quadratischer Querschnitt, verwendet werden. Solche Formen können z. B. zweckmäßig sein, wenn ein festes Material, z. B. Bariumtitanat als elektrooptisches Material verwendet wird. Die erforderliche Bedingung der totalen inneren Reflexion kann bei festen Materialien dadurch erreicht werden, daß sie in eine Flüssigkeit mit entsprechendem Brechungsindex eingetaucht werden, oder dadurch, daß die Oberfläche mit einer dünnen Schicht aus reflektierendem Material überzogen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrooptische Modulationseinrichtung, bei der zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren eine Matrix von selektiv ansteuerbaren elektrooptischen Elementen angeordnet ist, bei der an das elektrooptische Material jedes Element zwei aufeinander senkrecht stehende elektrische Felder unabhängig voneinancr anlegbar sind deren Richtungen senkrecht zur Lichtsirahlrictnung und parallel zu jeweils einer der Polarisationsebenen der beiden Polarisatoren orientiert sind und die sich bei gemeinsamem Anliegen überlagern, wobei nur bei gemeinsamem Anliegen Lichtdurchgang durch die Einrichtung zustandekommt, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der elektrooptischen Elemente (7) in Lichtstrahlrichtung erheblich größer als ihre Ausdehnung in Querrichtung ist. daß sich jedes elektrooptische Element (7) in einem länglichen Behälter (II) befindet, an dessen Wandungen achsparallele Elektroden (4) zur Erzeugung der elektrischen Felder angebracht sind, daß jedes elektrooptische Element (7) von einem Material mit niedrigerem Brechungsindex so umgeben ist, daß der Lichtstrahl beim Durchgang innen an der Grenzfläche total reflektiert wird, und daß der Lichtstrahl eine Divergenz von weniger als 2° besitzt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen und Spalten der Matrix etwa parallel zu den Polarisationsebenen der Polarisatoren angeordnet sind, und daß alle jene Elektroden der Elemente einer Reihe oder Spalte, die sich an derselben, die Reihe bzw. die Spalte seitlich begrenzenden Wandung befinden, jeweils miteinander elektrisch verbunden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen in der Matrix aus zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Gruppen von rechteckförmigen Platten (1, 2) bestehen, daß jede Platte einen Satz von im Abstand angeordneten parallelen Schlitzen aufweist, die senkrecht zum Rand von einem Rand der Platte zur Mitte der Plattenbreite verlaufen, und daß die beiden Gruppen von Platten mit aufeinander zu gerichteten Schlitzen, so ineinandergeschoben sind, daß sie sich an den Kreuzungspunkten der Platten mit ihren Schlitzen ineinander verriegeln.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1, 2) Schaltpiatten mit gedruckter Schaltung sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltplatte (I₁ 2) eine kammförmige Leiteranordnung auf jeder Stirnseite aufweist, in der die Elektroden (4) die Zinken des Kammes bilden und jeweils zwischen benachbarten Schlitzen angeordnet sind.

6. Einrichtung niich Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes elektrooptische Element (7) aus flüssigem Material besteht, das in der Bohrung eines festen Körpers aus Material mit niedrigerem Brechungsindex untergebracht ist.