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Optische VerzögerunzsvorrichtunS aus ferroelektrischer
Keramik Die Erfindung betrifft elektrooptische VerzÖgerungsvorrichtungen. Unter
optischer Verzögerung versteht man die Umwandlung in einer doppeltbrechenden optischen
Vorrichtung von monochromatischem, planpolarisiertem Licht in eine andere Polarisationsform,
z. B. elliptische oder kreisförmige Polarisation.
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Ein monochromatischer, planpolarisierter, auf eine doppeltbrechende
optische Vorrichtung auffallender Lichtstrahl kann
in zwei orthogonale Komponenten
in einer senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung liegenden Ebene aufgelöst werden.
So ist z. U. die Auflösung in eine schnelle und eine langsame Komponente (d. h.
bei einem negativ doppeltbrechenden Gerät in den aussergewöhnlichen und den gewöhnlichen
Lichtstrahl), entsprechend dem kleineren und dem grösseren Brechungsindex entlang
der c- und der a-Kristallachse der optischen Vorrichtung möglich. Da die Fortpflanzung
der orthogonalen Komponenten des einfallenden planpolarisierten Lichts durch ein
doppeltbrechendes
optisches Gerät mit verschiedener Geschwindigkeit erfolgt, ändert sich das Phasenverhältnis
der beiden Komponenten. Nach Durchgang durch das optische Gerät werden die Komponenten
wieder vereinigt und bilden einen einzigen, elliptischen oder gegebenenfalls kreisförmigen,
polarisierten Lichtstrahl.
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Bekannte Vorrichtungen verwenden die Doppelbrechung eines einzelnen,
ferroelektrischen Kristalls zur Veränderung des durch das Kristall gehenden wirksamen
Lichts. Wird in diesen Vorrichtungen ein planpolarisierter Lichtstrahl auf eine
Fläche eines den durchgehenden Lichtstrahl elliptisch polarisierenden doppeltbrechenden
Kristalls gerichtet, so lässt ein mit seinen Achsen in einem Winkel von 90o zum
einfallenden polarisierten Lichtstrahl angeordneter Analysator das eine Komponente
auf der Analysatorachse enthaltende polarisierte Licht hindurch, so dass die Komponente
durch eine photoempfindliche Vorrichtung abgetastet werden kann. Die Änderung der
Lichtdurchlässigkeit dieser bekannten Vorrichtungen erfolgt durch entsprechende
Änderung der doppeltbrechenden Eigenschaften des ferroelektrischen Kristalls. In
einigen Anordnungen geschieht diese Veränderung durch Erhitzen des doppelbbrechenden
ferroelektrischen Kristalls bis zu einer Temperatur die etwas über seiner Gurietemperatur
liegt. Dadurch wird das Kristall paraelektrisch und optisch isötrop. Ein an das
Kristall gelegtes elektrisches Feld verstärkt die ferroelek-Irische Phase, so dass
das Kristall wieder doppeltbrechend
wird. Die Doppelbrechung ist
dabei dem Quadrat des elektrischen Felds proportional, so dass das Gerät den elektrooptischen
Kerreffekt zeigt. Wird das elektrische Feld unterbrochen, so wird das Kristall wiederum
optisch isotrop. Nachteilig bei diesen Vorrichtungen ist die erforderliche sehr
genaue Temperaturregelung, sowie die Notwendigkeit, zur Aufrechterhaltung des engen
Temperaturbereichs nahe dem Curiepunkt geeignete Heiz- und Kühlvorrichtungen vorzusehen.
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Andere, bekannte Anordnungen verwenden aus einzelnen ferroelektrischen
Kristallen bestehende Platten mit der kristallographischen c- oder a-Richtung parallel
zu den grossen Flächen der Platte. Durch Anlegen eines elektrischen Felds geeigneter
Grösse und Richtung werden kleine, örtlich begrenzte Flächen oder Stellen der Platte
um 90o geschaltet und dadurch die doppeltbrechenden und verzögernden Eigenschaften
des Kristalls entsprechend verändert. Wird das Kristall zwischen kreuzweise angeordnete
Polarisatoren gelegt, so kann die Änderung der Doppelbrechung eine entsprechende
Änderung in_der Durchlässigkeit der Polarisator-
.-Analysator-Anordnung zur Folge haben. Wird die Polarisationsspannung unterbrochen,
so fällt jedoch das Kristall in ziemlich kurzer Zeit wieder in den Ausgangszustand
zurück. Die Zerfallszeit in einem c-Domänenkristall für eine örtlich begrenzte a-Domäne
beträgt z. B. eine Mikrosekunde oder weniger, während in einem a-Domänenkristall
die Zerfallszeit einer 0-Domäne nur Minuten oder allenfalls Stunden beträgst. Nachteilig
ist dabei, dass den senkrecht geschalteten Domänen starke örtlich begrenzte Spannungs-
bzw. Verzerrungsfelder entgegenwirken.
Ungünstig ist ferner, dass
die Randbreite, d. h. die Breite des Übergangsbereichs zwischen der örtlich geschalteten
Fläche und der diese umgebenden ungeschalteten Fläche von. der Kristalldicke abhängt
und dieser etwa entspricht. Randbreite und Kristalldicke beschränken, aber in vielen
Fällen die Anzahl'der örtlich begrenzten geschalteten Stellen, die auf einenti.
gegebenen. Kristall vorgesehen werden können.
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Schliesslich liefern die bekannten optischen V'erzögerun.gsanordnungen
lediglich eine EINAUS bzw: binäre "fl" - "1" Funktion. In vielen Anwendungsfällen
sind. aber mehr als zwei stabile Phasen erwünscht, wie z. B. in dreizähligen oder
achtzähligen Speichern, Analoggedächtnisschaltungen und entsprechenden Logikschaltungen.
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Aufgabe der Erfindung ist demgemäss :eine optische V'eögerungevorrichtung,
die auch mehr als zwei stabile V'eägerungszustände liefern kann, deren Randbreite
unabhängig von. der Materialdicke ist, die bei Zimmertemperatur arbeiten: kann.,
und ein Bild hoher Auflösung speichern oder erzeugen kann..
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die erfindungsgemässe optische Verzögerungsvorrichtung
für planpolarisiertes Licht, die eine heissgepresste, optisch einachsige, ferroslektrische
keramische Platte mit einer Korngrösse unter 2 /u und einer gleichförmigen Ausgangsausrichtung
der optischen. Achse, sowie Mittel zur Veränderung des durch örtlich begrenzte Stellen
der Platte durchtretenden planpolarisierten Lichts aufweist.
.Anhand
der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Die Figur la eine
teilweise perspektivische, schematische Ansicht einer elektrooptischen Verzögerungsanordnung
mit einem optisch einachsigen, doppeltbrechenden, ferroelekt rischen Keramikelement
und bestimmter Elektrodenanordnung; die Figur 1b schematisch die Ausrichtung der
bevorzugten Durchgangsrichtungen von Polarisator, .Analysator und der optischen
Achsen einer Fläche des ferroelektrischen Keramikelements entsprechend der Figur
la; die Figur 2 ein Schaltschema einer zur Anlegung der Schaltspannung an die Elektroden
der Figur la geeigneten Schaltung; die Figur 3 die Seitenansicht einer weiteren
Ausführungsform eines für die Anordnung der Figur 1 verwendbaren Keramikelements
und der dazugehörigen Eelektrodenanordnung;-die Figur 4 den Querschnitt einer weiteren
Ausführungsform, die ebenfalls in der Anordnung gemäss Figur 1 verwendbar ist; die
Figur 5 die Seitenansicht der auf einem Keramikelement in Matrizenform angeordneten
Elektroden der Figur 1; die Figur 6 eine teilweise perspektivische, schematische
Ansicht einer weiteren, ebenfalls in der Anordnung der Figur 1 verwendbaren Ausführungsform;
die Figur 7 in perspektivischer Ansicht eine in der Figur 6 verwandte Keramikplatte
und deren Wirkungsweise.
Nach dem Ausführungsbeispiel der Figur
la besteht eine die erfindungsgemässe Vorrichtung verwendende optische Anordnung
z. B. aus der optischen Verzögerungsvorrichtung 10, einer gewöhnlichen Lichtquelle
12, wie z. B. einer Glühlampe oder einer Quecksilber-Lichtbogenlampe, die mit einer
Kollimatorlinse oder Faseroptik versehen sein kann, sowie dem linearen Polarisator
14 und dem Analysator 16, die je eine durch die Pfeile angedeutete bevorzugte Strahlendurchgangsrichtung
haben, sowie einer geeigneten photoempfindlichen Vorrichtung wie z.
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B. einem Photovervielfacher oder einer Photodiode 18, und schliesslich
dem Verbraucher 19. Die optische Verzögerungsvorrichtung 10 regelt die Intensität
des von der Quelle 12 auf die photoempfindliche Vorrichtung 18 auffallenden Lichts.
Die optische Verzögerungsvorrichtung 10 enthält eine heissgepresste, optisch einachsige,
polykristalline, ferroelektrische,keramische, dünne, polierte Platte 20 mit einer
Kornvielzahl und einem Korngrössennennwert von weniger als ca.
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2 /u. In der Figur la ist die Platte 20 der Deutlichkeit halber mit
übertriebener Dicke eingezeichnet. Die günstigen Lichtdurchlässigkeits- und -verzögerungseigenschaften
werden erfindungsgemäss mit Platten dieser Art in einer Dicke von 20 - 250
erzielt, wobei jedes Korn bzw. Kristallit der polkristallinen Keramik eine oder
mehrere ferroelektrische Domänen enthälten kann. Jede Domäne kann als eine Anordnung
von parallel ausgerichteten elektrischen Dipolen aufgefasst werden, die ihre
Entstehung der nicht-zentrosymmetrischen Anordnung der Atome einer Zelleinheit des
Kristallgitters verdanken. Die eine Domäne
bildende parallel ausgerichtete
Anordnung elektrischer Dipole besitzen einen aus der vektoriellen Summierung der
Elementardipole der Zelleinheit innerhalb der Domäne resultierenden elektrischen
Dipol. Wird ein äusseres elektrisches Feld an die ferroelektrische Keramikplatte
gelegt, so haben die resultierenden Domänendipole die Neigung, sich in Richtung
des angelegten Felds parallel auszurichten. Es hat sich nun herausgestellt, dass
bei Unterbrechung bzw. Entfernung des elektrischen Felds die meisten der resultierenden
Domänendipole einer heissgepressten, ferroelektrischen Keramikplatte ihre neue Ausrichtung
parallel zur elektrischen Feldrichtung beibehalten. Die Keramik ist dann ganz oder
teilweise in Richtung des zuvor angelegten Felds gepolt. In der Regel sind die physikalischen
Eigenschaften der gepolten Keramik anisotrop bei unendlicher Rotationssymmetrie
in der zur Richtung des zuvor angelegten elektrischen Felds senkrecht verlaufenden
Ebene. In einer optisch einachsigen, ferroelektrischen Keramik sind die einzelnen
Körner oder Kristallite ebenfalls optisch einachsig, d. h. sie besitzen die Symmetrieeigenschaften
eines optisch einachsigen, doppeltbrechenden Kristalls. Zu den optisch' einachsigen
Kristalliten gehören u. a. solche mit tetragonaler, trigonaler (rhombohedrischer)
und hexagonaler Symmetrie. Wird nun, ein in hohem Masse homogenes, optisch einachsiges
ferroelektrisches Keramikelement mit gleichförmigem Korndurchmesser von weihiger
als 2 lu elektrisch gepolt, so wird es in der zur Polungsrichtung parallelen Ebene
optisch doppeltbrechend.
Sind die einzelnen Krietallite negativ
doppeltbrechend, so wird die elektrische Polrichtung die schnelle, und sind.diese
positiv doppeltbrechend, so wird die elektrische Polrichtung die langsame Achse
der Keramik. Der Wert der Doppelbrechung einer ferroelektrischen Keramikplatte hängt
dabei von Grad bzw. Grösse der elektrischen Polung in einer gegebenen Richtung ab,
d. h. entscheidend ist, ob die Keramik in einer bestimmten Richtung ganz oder nur
teilweise gepolt ist. Die Ausrichtung der optischen Achse hängt dabei von der Richtung"
der elektrischen Polung in der Keramik ab. Die elektrische Regelung der Lichtdurchlässigkeit
der optischen VerzÖgerungsvorrichtung 10 geschieht somit durch Veränderung von Grösse
oder Richtung, oder beiden zusammen, ihrer ferroelektrischen Polarisation durch
Anlegung eines äusseren -elektrischen Felds. Hierdurch wird entweder die Doppelbrechung
oder der Winkel p der Figur 1b, oder beide, der Verzögerungsvorrichtung verändert.
Die Änderung der Lichtdurchlässigkeit der Platte 20 erfolgt durch ein erstes Elektrodenpaar
22, 24, sowie ein zweites, senkrecht zu dem ersten Paar angeordnetes Elektrodenpaar
26, 28, wobei jedes Elektrodenpaar.in der gezeigten Weise auf der gleichen Plattenfläche
einander gegenüberliegen und durch die örtlich begrenzte Polarisationsfläche 25
voneinander getrennt sind. Die Elektroden 22, 24, 26, 28 können durch bekannte elektrische
Mittel erregt werden, sodass zwischen jedem Elektrodenpaar getrennte und zu ihrer
Anordnungsfläche parallele Polungs- oder Schaltfelder erzeugt werden. Ein hierzu
geeignetes Blektrisches Mittel ist in der Figur 2 gezeigt. Die betreffenden Elektrodenpaare
können über einen
doppelpoligen Doppelkippschalter 30 und einen
Umpolungsschalter 32 mit einer gewöhnliichen Gleichstromquelle, z. B. der Batterie
34 verbunden sein. Zur Erzeugung der erforderlichen Polungs- oder Schaltfelder können
auch geeignete elektrische oder elektronische Schalt- oder Logikschaltkreise verwendet
werden. Wird nun die Elektrode 22 im Verhältnis zur Elektrode 24 und den neutralen
Elektroden 26, 28 positiv beauf schlagt, so werden die örtlich begrenzten Stellen
25 der Keramikplatte 20 unter Ausrichtung ihrer optischen Achsen in der Pfeilrichtung
36 gepolt bzw. geschaltet. Wird andererseits bei neutralen Elektroden 22, 24 die
Elektrode 28 im Verhältnis zur Elektrode 26 positiv beaufschlagt, so erfolgt die
Schaltung unter Ausrichtung der optischen Achsen in Richtung des Pfeils 38. Durch
Umkehrung der Vorspannung der betreffenden Elektroden kann also die elektrische
Polrichtung für jedes Elektrodenpaar umgekehrt, d. h. um 1800 geschaltet
werden.. Somit kann für die gezeigte Elektrodenanordnung die Fläche 25 in vier verschiedenen
Richtungen polarisiert werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine Keramikplatte mit den zuvor
erläuterten Merkmalen und unter Einhaltung der weiter unten erläuterten Herstellungsbedingungen
parallel zur Plattenfläche elektrisch gepolt werden kann, so dass ihre optische
Achse in. eine der Pfeilrichtungen 26 oder 38 in der Fläche 25 zeigt. Ferner wurde
gefunden, dass die Keramikplatte ohne Beeinträchtigung der Polung auf der einen
Plattenseite auch auf der gegenüberliegenden Plattenfläche und allen übrigen Plattenflächen
unabhängig
entsprechend elektrisch gepolt
werden kann, solange die Ausdehnung
der Polungafläche in Richtung des Polungafelds die Plattendicke nicht übersteigt.
Ferner ist die so erzeugte elektrische Polung zeitstabil und wird bis zur Aufhebung
durch nachfolgende Anlegung eines Schaltfeldes anderer Richtung beibehalten. So
kann z. B. eine zweite Elektrodengruppe 22', 24', 26', 28' auf der den Elektroden
22, 24, 26, 28 gegenüberliegenden Plattenfläche vorgesehen sein. Diese Elektrodengruppe
wird dann durch eine entsprechende Schaltung gemäss Figur 2 erregt, so
dass die optischen Achsen der Kristalliten an ihrer Oberfläche in der Örtlich
begrenzten Fläche 25' in eine der vier oben erläuterten Richtungen, z. B. die Pfeilrichtungen
36' oder 38' zeigen. Bei zwei Elektrodengruppen entsprechend der Figur 1 steigt
die Zahl der verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten äar elektrischen Polverhältnisse
der Platte entlang einer durch die örtlichen Stellen 25 und 25' führenden Geraden
auf aechnehn. Zur Erzielung einer maximalen Lichtdurchlässigkeitsregelung sollten
der kollimierte, planpolarisierte Lichtstrahl der Lichtquelle 12, und der Polarisator
so ausgerichtet sein, daee der Strahlengang durch die jeweilige Mitte der beiden
Flächen 25 und 25' führt. Das auf die Keramikplatte 20 fallende plauplolarisierte
Licht wird je nach dem Winkel p der Figur 1b zwischen ihrer Polarisationsebene und
der bevorzugten Richtung (schnelle und langsame Achse:) der g^ramikplatte 20 verschieden
beeinflusst. Verläuft das einfallende planpolarisierte Licht parallel zu einer der
bevorzugten Richtungen, so läaöt die Keramikplatte
20 nur einen
Lichtstrahl durch, der sodann nur parallel zu dieser bevorzugten Richtung schwingt.
Ist dagegen das einfallende Licht zu keiner der bevorzugten Richtungen der Keramikplatte
20 parallel planpolarisiert, so wird es vektoriell in zwei orthogonale Strahlen
oder Komponentenrach Einfall in die Keramikplatte 20 zerlegt, und jede dieser Komponenten
schwingt parallel zu einer bevorzugten Richtung. Eine dieser orthogonalen Komponenten
(die lanc;same Komponente) wird beim Durchgang durch die Keramikplatte hinsichtlich
der anderen Komponente (der schnellen Komponente) phasenverzögert. Bei ihrem Austritt
besitzen die beiden orthogonalen Komponenten in der Regel verschiedene Phasen und
vereinigen sich unter Bildung eines einzigen, elliptisch polarisierten Lichtstrahls.
Entspricht nach der Wiedervereinigung der Phasenunterschied zwischen der schnellen
und der langsamen Komponente null oder einer geraden Zahl von Halbwellenlängen,
so degeneriert die Ellipse zu einer mit der Einfallsvibrationsebene parallelen 'ZGeraden.
Der austretende Lichtstrahl ist daher parallel zur Polarisationsrichtung des einfallenden
Strahls planpolarisiert. Ist andererseits nach der Wiedervereinigung der Komponenten
der Phasenunterschied eine ungerade Zahl von Halbwellenlängen, so degeneriert
zwar auch hier die Ellipse zur Geraden, die jedoch in diesem Falle mit der Vibrationsebene
des einfallenden Lichts einen Winkel 2p bildet. Entspricht die Verzögerung einer
ungeraden Zahl von Viertelwellenlängen und beträgt der Winkel p = 45o, so ist das
austretende Licht kreisförmig polarisiert. Enthält das durch die Verzögerungsvorrichtung
10 gehende und auf den Analysator 16
fallende Licht eine Komponente
in der bevorzugter. Durchgangsrichtung des Analysators, so wird nur diese Komponente
f das photoempfindliche Gerät 18 übertragen. Unter Vernachlässigung von Reflektions-,
Absorptions- und Streuungsverlusten kann die spiegelnde Übertragung T durch Polarisator
14, Verzögerungsvorrichtung 10 und Analysator 16 entspprecherid den Figuren la und
1b nach der folgenden Gleichung errechnet werden: T = 1/1o s cos 2O-sin22(p-0) '
sin 2p ' sing (di ) @'" (l) Hierin bezeichnen: Io =Intensität des auf den Polarisator
14 fallenden Lichts, I =Intensität des aus dem_Analysator 16 trentenden Lichts,
= Winkel zwischen der bevorzugten Durchgangsrichtung des Polarisators 14 einerseits
und des Analysators 16 andererseits, p = Winkel.zwischen der bevorzugten Durchgangsrichtung
des Polarisators 14 und der nächsten optischen. Achsenrichtung der Verzögerungsvorrichtung
10, Q, =Verzögerung in Wellenlängen a (n8 - nƒ) (t/.z o)' ne = Brechungsindex
entlang der optischen kchae,.
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no =Brechungsindex in. jeder in der senkrecht zur optischen Achse
verlaufenden Ebene liegenden Richtung, t =Plattendicke, und = Wellenlänge des von
der Lichtquelle 12 erzeugten Lichts.
Bei gegebenem, von der Doppelbrechung
(ne - n0), der Plattendicke t, und der Wellenlänge ö abhängigem Verzögerungswert
kann somit die auf die photoempfindliche Vorrichtung 18 fallende Lichtintensität
I entsprechend der Winkeländerung p von 0 0 - 3600 zwischen einem
oder mehreren Maximum- und Minimumwerten schwanken. Jedoch wurde gefunden, dass
das auf die photoempfindliche Vorrichtung 18 fallende Licht aus zwei Komponenten
besteht: 1. der oben beschriebenen Komponente mit der Intensität I, und 2. der infolge
der unzusammenhängenden Streuung in der Keramikplatte 20 entstehenden Komponente
mit der Intensität IS, Die resultierende Intensität IR des auf das photoempfindliche
Gerät 18 fallenden Lichts ergibt sich somit aus der Zählsumme der Intensitäten I
und IS nach der Formel IR I + IS . (2) Ferner hat sich herausgestellt, dass IR gesondert
und verschieden von den je vier möglichen Achsenrichtungen in der Fläche 25, 25'
und all deren Kombinationsmöglichkeiten sein kann. Infolgedessen kann die photoempfindliche
Vorrichtung für jede der sechzehn möglichen Kombinationen von Ausrichtungen der
optischen Achsen in den Flächen 25 und 25' eine verschiedene Lichtintensitätsstufe
IR des aus dem Analysator 16 tretenden Lichts feststellen, und ein. dieser Lichtintensität
proportionales Signal auf den Verbraucher 19 geben.
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Wie zuvor ausgeführt, hängen die Lichtdurchlässigkeitamerkmale von
dünnen, polierten Platten bestimmter, heissgepresster,
feinkörniger
(d. h. mit Nennwerten der
von weniger als 2 /u) ferroplektrischer Keramiken von
den ferroelektrischen
Polarisierungszustand ab. Grad und Richtung der Domänenausrichtung, d. h. Grösse
und. Richtung der elektrischen Polung bestimmen die optischen Übertragungskennzeichen,
dieser Keramikplatten. In. der obigen Erläuterung
der Verzögerungs-
| vorrichtung 10 ist der Einfluss auf die elektrische Polung
der |
| der parallel .zu ihren grösseren Flächen liegenden Ebene
auf die |
| Keramikplatte in'Lichtübertragung im einzelnes dargelegt. Be- |
findet sich die Platte dagegen in einem ungeordneten oder thermisch entpolten Zustand,
so hängt die in. erster Linie von der Plattendicke ab. Je nach der Dicke erscheint
die keramische platte opak oder nahezu durchsichtig. Das übertragene planpolarisierte
licht ist
je nach der Plattendicke zu 10 - 60 96, infolge der Streuung durch
die ungeordneten ferroelektrischen Domänen, entpolarrieiert. Die diffuse
Lichtübertragung ist dabei der in jeder der elektrisch gepolten Zustände in etwa
gleich. Wird die ferroeiektrische Platte senkrecht zu ihren grösseren Plächen elektrisch
gepolt, so wird sie für auf ihre grüseeren Flächen aehkrecht fallendes Licht isotrop.
Dies Verhalten ist nicht =erwartet' da hier die-optische Achse der Kerikplatte mit
der elektrischen Polrichtung zusameufä11t: Dae
so einfallende planpolarisierte
Uht wird daher unter Beibehaltung seiner larisatonsform und -richtung übertragen.
(Bei nur leichter Streuung wird 9536 des Lichts in einer parallel zur polarisatoneebene
des einfallenden Lichts verlaufenden, planpolarisierten Richtung übertragen). Im
Vergleich zum ungeordneten Zustand erscheint
die Platte daher
durchsichtig. Das gestreute Licht verteilt sich dabei nahezu gleichförmig je nach
der Intensität über einen grossen Winkel. Die Streuungsverluste sind auch für fast
die gesamte durch die Keramikplatte bewirkte Dämpfung verantwortlich. Wird die Keramikplatte
auf eine oberhalb des Guriepunktes liegende Temperatur erhitzt, so werden die einzelnen
Kristallite bzw. Kornteilchen isotrop und infolgedessen wird die dünne Platte insgesamt
vollständig isotrop.
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Die Streuung wird hierbei so stark herabgesetzt, dass die Platte durchweg
durchsichtig wird. Da sie in allen Richtungen isotrop ist, wird das planpolarisierte
Licht praktisch unverändert und ohne Drehung der Polai@sationsebene übertragen.
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Eine noch grössere Zahl von gesonderten Lichtausgangsstufen kann.
durch Anordnung weiterer Keramikplatten mit entsprechenden Elektrodenanordnungen,die
in einer Reihe mit der Platte 20 liegen, z. B. durch die in der Figur 1 gestrichelt
angedeutete Platte 21, oder durch Erhöhung der auf jeder Plattenfläche möglichen
optischen Achsenrichtungen erzielt werden. Die Platte 21 kann entsprechend der Platte
20 eine oder zwei Elektrodengruppen tragen, wobei im letzteren Falle das photoempfindliche
Gerät 18 eine grössere Anzahl von gesonderten Lichtstufen abtasten kann. Entsprechend
der Figur 3 kann die Zahl der möglichen optischen Achsenrichtungen durch weitere,
diagonal einander gegenüberliegende Elektrodenpaare verdoppelt werden: Durch Anlegung
einer entsprechenden Vorspannung an ein bestimmtes Elektrodenpaar kann die optische
Achse in einer ferroelektrischen Keramikplatte 40 in jeder der Richtungen
42,
44, 46, 48 (oder der jeweils umgekehrten Richtung) polarisiert werden, wobei z.
B. diese Richtungen mit der Polarisationsebene des z. B. vom Polarisator 14 der
Figur 1 einfallenden Lichts einen Winkel von 900, 45o, 0° und -45o bilden
kann. Eine zweite Elektrodengruppe kann auf der Rückseite der Platte 40 in der gleichen
Weise wie in der Figur 1 dargestellt angebracht sein. Hierdurch wird die
Zahl der gesonderten, durch den entsprechend angeordneten Analysator gehenden Lichtstufen
noch weiter erhöht.
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Die Lichtübertragungsmerkmale der Keramikplatte, z. B. der Platte
20 oder 40 der Figuren 1 oder 3 kann unter Verwendung der Stokes-Mueller-Formel
vollständig in folgender Weise beschrieben werden:
Hierin bedeuten: I =Intensität unabhängig von der Polarisation, Q = Intensität bei
bevorzugt horizontaler,linearer Polarisation, U = Intensität bei + 450 linear
bevorzugter Polarisation, und V = Intensität bei rechtsgerichtet; kreisförmiger
bevorzugter Polarisation.
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Die Komponenten des Stokes-Vektors für die einfallenden und übertragenen
Lichtstrahlen können 1 o, Qo, Uo, Vo bzw. I,
U, V und M sein, und
die optische Transferfunktion kann vollständig durch die 4 x 4 Mueller Matrize beschrieben
werden.
Die Faktoren mii dieser Gleichung können dadurch geAsen werden, dass zwischen die
Platte 20 und den Polarisator 14, sowie zwischen die Platte 20 und den Analysator
16 der Figur 1 Viertelwellenplatten angeordnet werden und mit dem photo-Gerät 18
in bekannter Weise für verschiedene Ausrichtungen der Viertelwellenplatten, des
Polarisators, des Analysators und der Keramik-Achsen Messungen vorgenommen werden.
Die Faktoren können auch in ebenfalls bekannter Weise mathematisch nach bekannten
Regeln der Matrizenrechnung für verschiedene Richtungen der optischen Achse der
Keramikplatte errechnet werden.
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Die keramischen Platten 20, 40 können aus beliebigem, heissgepressten,
optisch einachsigen, ferroelektrischen Material bestehen, z. B. Bariumtitanat oder
Bleizirkonat-Bleititanat mit einer Korngrösse von weniger als 2 /u und einem hohen
Grad von Homogenität. Ein typisches, ferroelekt risches, keramisches Material kann
z. B. aus 65 Mol-% PbZr03 und 35 Mol iö PbTi03 und ca. 2 Atom-% Bi,als Bi
20 3, bestehen. Die Herstellang
der festen Lösung erfolgt z. B.
durch 1. Abwiegen der Oxydpulver, 2. Nassmischen in einem geeigneten flüssigen Agens,.
, 3. Trocknen, 4. Brennet. bei einer Temperatur ,von, etwa 80001 C für eine
Dauer von ca. 1 Stunde 5. Schroten oder Nassmahlen des. gebrannten Guts um die teilweise
gesinterten Teilchenzusammeneballungen aufzubrechen, 6. Trocknen 7. Kaltpressen
des Pulvers zu einem Formling, und B. Heisspressen für 1 - 24 Stunden bei einer
Temperatur von ca. 800 - 1050o C und einem Druck von ca. 35 - 1400 kg,/cm 2. Die
Einstellung der gewünschten Korngrösse erfolgt durch entsprechende Wahl der folgenden
Massnahmen: 1. Zusatz chemischer Modifikatoren wie z. B. Bi 203 oder Nb20, die die
gewünschten elektrischen Eigenschaften verbessern und gleichzeitig das Kornwachstum
hemmen; 2. Wahl der als Ausgangsmaterial dienenden Oxydpulver augreichender chemischer
Reinheit (i. d. R. über 99,2%) und 3. Wahl. der geeigneten Heisspressbedingungen
wie Temperatur, Zeit und Druck. Nach dem Heisspressen kann der Formling in dünne
Scheiben geschnitten werden, die sodann bei ca. 500 - 700o C etwa 15 Min. angelassen,
auf Zimmertemperatur abgekühlt, mit den Elektroden versehen und bis zur Einstellung
der gewünschten, gleichförmigen Ausgangspolarisation elektrisch polarisiert werden.
Das Material zeigt die gewünschten elektrooptischen Eigenschaften bei Zimmertemperatur.
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Ile Randbreite (d. h. die Breite der Übergangszone zwischen einer
örtlich geschalteten Fläche und der diese umgebenden unge:chalteten Fläche) der
Keramikplatte kann eine Funktion
der gewöhnlich zwischen 5 - 10
/u Korndurchmesser liegenden Korngrösse sein. Infolgedessen kann bei einer Korngrösse
von 1 /u die Randbreite 5 - 10 /u betragen. Infolge dieser Abhängigkeit kann nun
aber die gewünschte Randbreite durch Auswahl der entsprechenden Heisspressbedingungen
beeinflusst werden. Zur Erzielung einer Korngrösse von 1 /u kann z. B. die keramische
Hasse 4 Stunden lang bei einer Temperatur von 1000 - 10500 C und einem Druck
von 560 kg/cm 2 heissgepresst werden.
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In einer heissgepressten keramischen, ferroelektrischen Platte mit
einer ferroelektrischen Polarisation können der örtlich geschalteten Feldrichtung
des einzelnen Korns Spannungsfelder entgegenwirken, die jedoch im Vergleich zu einem
einzelnen Kristall nur sehr gering sind. Infolgedessen wird ein Zurückfallen der
geschalteten Stellen in den Ausgangspolezustand vermieden und diese behalten ihre
Polarisierung bei, bis ein neuerliches, diese etwa aufhebendes Schaltfeld angelegt
wird.
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Die in den Figuren 1 und 3 gezeigte optische Verzögerungsvorrichtung
kann z. B. als Lichtverschluss mit einer EINAUS oder "0" - "1" - Funktion in der
in Figur 1 gezeigten Anordnung Verwendung finden. Bei einer Elektroden- oder Elektrodenßruppenanordnung
auf einer Plattenfläche entsprechend der Figur 3 und einer Ausrichtung von Polarisator
und Analysator-in einem Winkel von 900 (0 = 900) ist der Verschluss
geschlossen,
wenn die optische Achse der Keramik mit der Pfeilriehtung
42 oder 46 parallel verläuft. Durch Anlegen eines dek elektrischen Felds an die
entsprechende Elektrode wird die optische Achse in die Richtung 44 oder 48 geschaltet
und der Verschluss geöffnet, und umgekehrt. Die maximale Lichtdurchlässigkeit tritt
ein, wenn die Verzögerung 3, einer integralen Zahl von Wellenlängen gleich ist.
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Die optische Verzögerungsvorrichtung der Figur 1 kann auch zum Aufbau
eines Zweiflächenverschlusses dienen. Sind die optischen Achsen beider Flächen an
den Stellen 25, 25' in Richtung 36 oder 38 ausgerichtet, so ist der Verschluss geschlossen,
und wird geöffnet, wenn die optische Achse einer Fläche senkrecht zur optischen
Achse auf der anderen Fläche geschaltet wird, sowie durch Senkrechtschaltung der
Stelle 25 oder 25' wiederum geschlossen. Bei dieser ElektAenanordnung und Arbeitsweise
kann die optische Verzögerungsvorrichtung 10 auch als optische Logikschaltung oder
als logische ODER oder UND Schaltung dienen. Wird eine senkrecht zu ihren grösseren
Flächen elektrisch gepolte Keramikplatte mit einer für die örtliche Umschaltung
parallel zu den grösseren Flächen geeigneten Elektrodenanordnung versehen, so wird
ebenfalls ein Verschluss, jedoch anderer Art, erhalten. Die Figur 4 zeigt eine Keramikplatte
90 mit einer hierzu geeigneten Elektrodenanordnung. Bei senkrecht einfallendem,
planpolarisiertem Licht und einer orthogonal zur Lichteinfallsebene verlaufenden
bevorzugten Übertragungsrichtung des Analysators 16 (@i 900) ist der Verschluss
geschlossen.
Beträg die Verzögerung A durch entsprechende Einstellung
der Plattendicke t und der Wellenlänge 1 0 eine integrale Zahl von Wellenlängen,
und ist die Elektrodenanordnung derart, dass nach dem Umschalten p = 45o, so kann
der Verschluss durch Anlegen einer Schaltspannung an die Elektroden 91, 92 (entsprechend
Elektroden 22, 24 in Fig. la) geöffnet werden. Er wird durch Spannungsbeaufschlagung
geeigneter durchsichtiger Elektroden 93, 94 und Rückschaltung der Platte auf die
senkrecht zu ihren grossen Flächen verlaufende Polarisierung entsprechend Pfeil
95 wieder geschlossen. Die Elektroden 91, 92 können durch Isolatoren 96, 97 gegen
die Elektroden 93, 94 isoliert sein.
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Die Elektrodenanordnung, z. B. entsprechend den Figuren 1, 3, oder
4 kann auf einer grösseren Keramikplatte 50 durch Niederschlag, Photoätzen oder
dergl., zusammen mit den erforderlichen Anschlüssen als Matrizengruppe gemäss Figur
5 angebracht werden. In diesem Fall kann jede örtlich polarisierte Stelle, z. B.
25, zwischen den Elektroden 22, 24, 26, 28 in bekannter Weise durch Anlegen eines
elektrischen Felds an das betreffende Adressatzeilenpaar adressiert werden. Die
Matrizengruppe der Fig. 5 kann z. B. als Gedächtnisgruppe oder optische Sichtvorrichtung
mit sehr enger, nur durch die Korngrösse begrenzte Zeilenbreite Verwendung finden.
Durch Anbringen entsprechender Elektrodenanordnungen oder der Anordnung gemäss Fig.
3 auf beiden Seiten kann die Matrizengruppe als x-y oder x-y-z adressierte Gedächtdnismatrize
mit 2, 4, $, 16 oder mehr stabilen Zuständen pro Bitstelle dienen und besitzt sowohl
eine
Bereich von Zahlsystemen verwendbare digitale wie auch analoge Speicherfähigkeit.
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Die Lichtintensität der polarisierten Lichtkomponente in der bevorzugten
Übertragungsrichtung des Analysators 16 der FIg. 1 kann auch durch .Änderung der
Plattendicke t beeinflusst werden. Entsprechend der obigen Formel (1) beeinflusst
die Dickenänderung die Lichtintensität auch durch Änderung der Verzögerung sowie
der Streuung durch die Platte. Es sei angenommen, dass alle optischen Achsen einer
keramischen Platte 60 (Fig. 6) in einer bestimmten Richtung ausgerichtet sind, und
zwar vorzugsweise senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung des einfallenden Lichts zur
Erzielung maximaler Doppelbrechung, sowie in einer urparallelen Richtung mit den
bevorzugten Übertragungsrichtungen von Polarisator 14 und Analysator 16 der'Fig.
1, um für einen bestimmten Verzögerungswert A maximale Löschung zu erreichen. Bei
dieser Sachlage verursacht eine Dickenänderung an jeder beliebigen Stelle der Keramikplatte
eine örtliche Änderung der Verzögerung sowie der durch den Analysator gehenden Lichtintensität.
Die letztere kann ,durch eine photoempfindliehe Vorrichtung 18, oder mehrere derselben
in Matrizenanordnung, oder auch mit deal blossen Auge festgestellt werden. Die Änderung
der Plattendicke erfolgt.durch stehende oder wandernde Oberflächenwellen, die in
geeigneter Weise erzeugt werden, z. B. durch einen Signalgenerator 62, kförmige
Ein- und Ausgabeelektroden 64, 66 und Ausgangsanechliisse oder
eine
Belastung 68. Die Oberflächenwellen, z. B. Wanderwellen 10 gemäss Fig. 7 wandern
z. B. in Pfeilrichtung 71 entlang der Oberfläche der Platte 60, deren Dicke sich
demgemäss entsprechend dem vom Generator 62 erzeugten Signal, z. B. simsförmig ändert.
Die Elektroden 64, 66 werden auf der Platte 60 in bekannter Weise durch Niederschlagen
oder Plattieren angebracht. Die Dickenänderung der Platte 60 kann gleichzeitig durch
Erzeugung einer zweiten Wanderwelle auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte,
z. B. vermittels des Generators 72 mit den entsprechenden Elektroden und der Belastung
78, erfolgen, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die erzeugte Oberflächenwelle
80 im rechten Winkel zur Welle 70 in Pfeilrichtung 81 wandert. Die gleichzeitig
wandernden Oberflächenwellen 71 und 81 bewirken somit die horizontale und vertikale
Abtastung der Keramikplatten. Durch Phasenänderung der durch die Generatoren 62
und 72 erzeugten Signale, z. B. vermittels des Phasenmodulators 82,kann -in der
Platte ein Muster oder Bild erzeugt und durch den Analysator 16 beobachtet werden.
Da die in der Platte 60 erzeugte Zeilenbreite nur von der Frequenz der Generatoren
62, 72 sowie dem Streuungswinkel der Oberflächenwelle abhängt, können sehr niedrige
Zeilenbreiten, z. B. von ca. 5 /u erzielt werden. Bei der entsprechend guten Auflösung
kann das Muster oder Bild, im Rahmen der verfügbaren Intensität der Lichtquelle,
sehr stark vergrössert werden. Eine Keramikplatte mit der Abmessung 2,54 x 2,54
cm kann z. B. bei guter Auflösung mit 100-facher Vergrösserung projiziert werden.
Die
mit einer der Fig. 1 entsprechenden Anordnung gekoppelte Verzögerungsvorrichtung@der
Fig. 5 und 6 kann für die verschiedensten Bild- und Sichtgeräte, Ablesevorrichtungen
für Rechner, wie auch Fernsehempfänger Verwendung finden. Eine Reihe oder Gruppe
von Kammelektroden kann an Stelle der Elektroden 64, 66 treten und so ausgerichtet
werden, dass auf der Plattenfläche verschiedene Wanderwellen entstehen, deren Phasenverhältnis
zur verbesserten Bildregelung durch geeignete elektrische Bauteile verändert werden
kann.