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Elektrooptische Anordnung zur Lichtsteuerung Die Erfindung betrifft
eine elektrooptische Anordnung zur Lichtsteuerung. Derartige Anordnungen können
z. B. zur Abtastung von in fotografischen und anderen Medien gespeicherten Informationen,
zur Zeichen- und Bildwiedergabe sowie zur Erzeugung logischer Verknüpfungen von
Licht strömen Verwendung finden.
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Bekanntlich läßt sich die beim Anlegen elektrischer Felder in bestimmten
elektrooptischen Medien, insbesondere in bestimmten Kristallen auftretende Doppelbrechung
zur Licht steuerung aus nutzen. Alle derartigen Anordnungen bestehen grundsätzlich
aus einem Polarisator, der das einfallende Licht linear polarisiert, einem elektrooptischen
Medium, an das durch geeignet angebrachte Elektroden ein elektrisches Feld angelegt
werden kann, und einem Analysator, der den Polarisationszustand des aus dem elektrooptischen
Medium austretenden Lichte-s anzeigt. Hierbei führt das Anlegen des elektrischen
Feldes zu einer von der Feldstärke abhängigen Phasenverschiebung zwischen dem ordentlichen
und außerordentlichen Strahl und damit zu einer Änderung des Polarisationszustandes
des durch das elektrooptische Medium hindurchlaufenden Lichtes. Durch eine geeignete
Wahl der Kristallabmessungen, der Feldstärke und der Stellung von Analysator und
Polarisator zueinander läßt sich erreichen, daß beispielsweise im feldfreien Zustand
alles Licht hindurchgelassen wird, bei anliegendem Feld aber keines. Dabei kann
sowohl der longitudinale als auch der transversale elektrooptische Effekt ausgenutzt
werden, d. h., das Feld kann entweder parallel zur
Ausbreitungsrichtung
des Lichtes oder senkrecht dazu anliegen.
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Es ist bereits bekannt, eine Vielzahl von elektroottischen Zellen
mit den dazugehörigen Elektroden in Form einer Matrix zwischen einem Polarisator
und einem Analysator so anzuordnen, daß beispielsweise im feldfreien Zustand kein
Licht hindurchtreten kann, und eine bestbrunte stelle der Matrix dadurch lichtdurchlässig
zu machen, daß an die Elektroden der an dieser Stelle befindlichen elektrooptischen
Zelle eine genügend hohe Spannun0' gelegt wird, so daß die Polarisationsebene des
vom Polarisator kommenden Lichtes so gedreht wird, daß es ungehindert durch den
Analysator hindurchtreten kann.
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Insbesondere ist es bekannt, auf den dem Licht zu- und abgewandten
Seiten eines ersten elektrooptischen Mediums eine Anzahl von parallelen Elektroden
so anzuordnen, daß sich jeweils zwei Elektroden direkt gegenüberliegen. Dieses Medium
ist mit den Elektroden zwischen einem Polarisator und einem ersten Analysator anzuordnen.
Nach dem ersten Analysator ist ein zweites elektrooptisches Medium, das in gleicher
weise mit einem System von parallelen Blektrodenpuaren versehen ist, so anzuordnen,
daß die Elektrodenpaare des ersten und zweiten Mediums senkrecht zueinander stehen.
Weiterhin ist ein zweiter Analysator hinter dem zweiten elektrooptischen Medium
anzuordnen. Der Polarisator und der erste Analysator sind beispielsweise um einen
Winkel von 90° gegeneinander verdreht und das elektrooptische Medium ist so dimensioniert,
daX im feldfreien Zustand kein Licht durch die Anordnung hindurchtreten kann.
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Wird nun an zwei sich gegent.iberliebenden Elektroden des ersten elektrooptischen
Mediums eine genügend hohe Spannung angelegt, die in der Lage ist, die Pol'irisationsebene
des durch das elektrooptische Medium hindurchtretenden Lichtes um einen Winkel von
90° zu drehen, so kann im Bereich der pansen, durch
die beiden spannungsführenden
Elektroden gebildeten Zeile Licht durch den ersten Analysator hindurchtreten. Ist
der zweite Analysator wiederum senkrecht zum ersten angeordnet, so kann im feldfreien
Zustand des zweiten elektrooptischen Mediums kein Licht durch den zweiten Analysator
hindurchgelangen. Wird aber an zwei gegenüberliegende Elektroden des zweiten elektrooptischen
Mediums ebenfalls eine genügend hohe Spannung angelegt, die in der Lage ist, die
Polarisation des durch den ersten Analysator hindurchtretenden Lichtes iiederum
um einen Winkel von 90° zu drehen, so kann im Bereich der durch die beiden Elektroden
des zweiten elektrooptischen Mediums gebildeten Spalte Licht durch den zweiten Analysator
hindurchtreten. Bei gleichzeitigem Vorhandensein der Spannungen an jeweils zwei
Elektrodenpaaren des ersten und zweiten elektrooptischen Mediums kann also bei der
beschriebenen Stellung des Polarisators und der Analysatoren Licht im jeweiligen
Kreuzungsbereich der beiden Elektrodenpaare durch die gesamte Anordnung hindurchtreten.
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Bei der bekannten Lösung wird der longitudinale elektrooptische Effekt
ausgenutzt, d. h., das elektrische Feld liegt parallel zur Ausbreitungsrichtung
des Lichtes an den elektrooptischen Zellen. Die Elektroden befinden sich also immer
im Strahlengang. Sie müssen entweder aus einem optisch transparenten Material oder
aber netzartig oder ähnlich geformt sein. In Jedem Fall ist aber mit dieser Anordnung
ein bestimmter Lichtverlust verbunden. Außerdem ist das elektrische Feld, das sich
zwischen jeweils zwei parallellaufenden Elektroden aus-bildet, nicht scharf begrenzt.
Die Feldlinien verlaufen im elektrooptischen Medium nicht parallel, sondern wölben
sich nach außen tonnenförmig auseinander. Dadurch ist das Feld nicht homogen, die
Feldstärke nimmt nach den Rändern der Elektroden hin ab, und es ist auch über die
Ränder hinaus noch ein gewisses Feld vorhanden, das eine gewisse Drehung der Polarisationsebene
hervorruft. Das führt dazu, daß auch der jeweils
lichtdurchlässige
Bereich nicht scharf begrenzt; ist, sondern daß die Lichtdurchlässigkeit beispielsweise
in der Mitte der Elektrodenpaare am größten ist und nach den Rändern zu abnimmt.
Durch diesen Umstand bedingt können auch die Elektrodenpaare nicht beliebig dicht
nebeneinander liegen, sondern es muß ein gewisser Mindestabstand eingehalten werden,
der von der Spannung, der Kristalldicke und anderen Bedingungen abhängt. Dadurch
ist bei gegebenen KristallabmaDen der Zahl der zu verwirklichenden Matrixpunkte,
dem sogenannten Auflösungsvermögen, eine obere Grenze gesetzt.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer elektrooptischen
Anordnung zur Lichtsteuerung die Lichtverluste zu verringern, die Lichtdurchlässigkeit
einer elektrooptischen Zelle gleichmäßig zu gestalten und einen möglichst geringen
Zeilenabstand zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Ausnutzung eines bekannten
elektrooptischen Effektes die Elektroden so anzuordnen, daß sie keine Lichtverluste
verursachen können und daß das Streufeld, das sich zwischen den Elektroden ausbildet,
keinen Einfluß auf die elektrooptische Zelle hat.
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Erfindungsgemäß sird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine elektrooptische
Anordnung zur Lichtsteuerung, bestehend aus einen Polarisator, einem Analysator,
einer Vielzahl von elektrooptischen Zellen und einem Elektrodensystem, das mit den
elektrooptischen Zellen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet ist, daß in Ausnutzung
des transversalen elektrooptiscben Effekts jeweils eine von zwei potentialverschie
denen Elektroden abwechselnd so zwischen den einzelnen elektrooptischen Zellen angebracht
ist, daß das sich in den elektrooptischen Zellen ausbildende elektrische Feld senkrecht
auf der Ausbreitungsrichtung des Lichtes steht. Hierbei können jeweils
eine
oder mehrere Elektroden über je einen Schalter wahlweise an eine Spannungsquelle
geschaltet werden, während die jeweils folgenden Elektroden mit dem Massepotential
verbunden sind.
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Eine Zeile der erfindungsgemäßen Anordnung besteht demnach aus zwei
äußeren, mit dem Massepotential verbundenen Elektroden, zwei sich nach innen anschließenden
elektrooptischen Zellen und einer in der Mitte, zwischen.diesen Zellen, angeordneten
Elektrode, die über einen Schalter wahlweise an eine Spannungsquelle angeschlossen
werden kann.
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Beim Schließen eines Schalters entsteht so in den beiden elektrooptischen
Zellen der entsprechenden Zeile ein homogenes elektrisches Feld. Dieses elektrische
Feld ist durch die beiden mit dem Massepotential verbundenen Elektroden scharf begrenzt,
so daß im Bereich der durch die beiden genannten Elektroden begrenzten Zeile die
Phasenverschiebung zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl den
gleichen Betrag hat. Die Elektroden befinden sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung
also nicht im Strahlengang, sondern begrenzen seitlich den Bereich, in dem das elektrische
Feld zur Wirkung kommen kann. Dadurch werden die bei der Ausnutzung des longitudinalen
elektrooptischen Effektes auftretenden Lichtverluste durch die Elektroden vermieden
und die Elektroden selbst können aus einem nichttransparenten Material bestehen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß hinter einer
ersten erfindungsgemäßen Anordnung von elektrooptischen Zellen mit dem zugehörigen
Elektrodensystem, dem ersten Polarisator und dem eraten Analysator eine zweite ebensolche
Anordnung von elektrooptischen Zellen mit dem zugehörigen Elektrodiensystems einem
zweiten Polarisator und einem zweiten Analysator angeordnet ist. Die zweite Anordnung
ist gegenüber der ersten Anordnung so um einen. Winkel von 900 gedreht, daß sich
die elektrooptischen Zellen und die zugehörigen Elektroden
beider
Anordnungen - in, Ausbreitungsrichtung des Lichtes gesehen - senkrecht schneiden.
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Der Analysator der ersten Anordnung ist mit dem Polarisator der zweiten
Anordnung zusammengefaßt, so daß der mittlere Analysator gegenüber dem äußeren Polarisator
und Analysator um einen Winkel von 90° gedreht ist.
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Bei dieser Anordnung wird beim Anlegen einer Spannung an jeweils eine
Elektrode der beiden Anordnungen die Polarisationsebene des Lichtes nur im Kreuzungsbereich
der Zeile und Spalte gedreht, die durch die den spannungsführenden Elektroden der
ernten und zweiten Anordnung von elektrooptischen Zellen benachbarten, am Massepotential
liegenden Elektroden gebildet werden.
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Ein anderes Merkmal der Erfindung sieht vor, daß zur Verringerung
der erforderlichen Halbwellenspannung jede elektrooptische Zelle durch Einfügen
von zusätzlichen Elektroden in Unterzellen aufgeteilt ist.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht nämlich darin, daß
bei einer Verringerung des Elektrodenabstandes die zur Drehung der Polarisationsebene
des Lichtes um einen Winkel von 90° erforderliche Spannung, die sogenannte Halbwellenspannung,
in gleichem Maße sinkt, während sie bei Anordnungen des Standes der Technik, die
den longitudinalen Effekt anwenden, konstant ist. Für eine erfindungagemäße Anordnung
slektrooptischer Zellen mit geringem Zeilen- und Elektrodenabstand ist somit unter
sonst gleichen Bedingungen auch eine geringere Spannung erforderlich. 8011 jedoch
eine Anordnung mit größerem Zeilenabstand mit der gleichen geringen Halbwellenspannung
wie bei dem eben genannten geringen Zeilenabstand geschaltet werden so besteht die
Möglichkeit, den größeren Zeilen- und Elektrodenabstand durch Einführen von Zwischenelektroden
aus mehreren geringeren'
Abständen zusannenzusetzen. Das zur Schaltung
der größeren elektrooptischen Zelle :>rforderliche Feld wird dabei aus mehreren
Teilfeldern zusainmengesetzt, wobei die Teilspannungen der n-te Teil der Gesamtspannung
sind, wenn n die Anzahl der Unterbereiche ist.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfahrungsbeispiel näher
erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: eine erfindungsgemäße
elektrooptische Anordnung zur Lichtsteuerung, Fig. 2: zwei erfindungsgemäße elektrooptische
Anordnungen nach Fig. 1 zur zweidimensionalen Lichtsteuerung kombiniert.
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In der erfindungsernäßen Anordnung nach Fig. 1 tritt aus einem Polarisator
9 linear polarisiertes Licht und fällt auf eine schichtförmige Anordnung von elektrooptischen
Medien, die elektrooptischen Zellen 1 mit der Lange 2, der Breite 3 und der Dicke
4. Zwischen den elektrooptischen Zellen 1 befinden sich abwechselnd die Elektroden
5; 8. Die Elektroden 5 können über die Schalter 6 wahlweise an die Spannungsquelle
7 geschaltet werden, während die Elektroden 8 mit dem Massepotential verbunden sind.
Hinter den elektrooptischen Zellen 1 ist der Analysator 10 angeordnet, der gegenüber
dem Polarisator 9 um einen Winkel von 90° gedreht ist.
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Wird nun an eine der Elektroden 5 über den zugehörigen Schätber 6.
eine Spannung angeschaltet, so bildet sich in den zwei elektrooptischen Zellen 1
zwischen dieser Elektrode 5 und den beiden benachbarten Elektroden 8 ein homogenes
elektrisches Feld aus, das durch die Elektroden 8 scharf begrenzt ist. Ist das Feld
genügend groß, so ist die Polarisationsebene des linear polarisierten Lichtes im
Bereich der von den beiden beteiligten
Elektroden 8 begrenzten Zeile
mit der zweifachen Dicke 4 nach Verlassen der elektrooptischen Zelle 1 um einen
Winkel von 90° gedreht. Durch den Analysator 10 kann das Licht jetzt ungehindort
hindurchtreten, weil er gegenüber dem Polarisator 9 um den gleichen Winkel von 90°
gedreht ist, um den das Licht in den elektrooptischen Zellen 1 gedreht wird. Ist
dagegen keine der Elektroden 5 an die Spannungsquelle 7 angeschaltet, so wird die
Polarisationsebene des Lichtes in keinem Paar der elektrooptischen Zellen 1 gedreht,
und durch den Analysator 10 kann kein Licht hindurchtreten. Liegt an einer der Elektroden
5 eine Bpannung an, wobei U /2 die zur Drehung der Polarisationsebene um einen Winkel
von 90° erforderliche sogenannte Halbwellenspannung ist, 80 reicht die in: Bereich
der Zeile1 die durch die beiden der spannungsführenden Elektrode 5 benachbarten
Slektroden 8 gebildet wird, hervorgerufene Phasenverschiebung ZRischon dem ordentlichen
und außerordentlichen Strahl nicht aus, um die Polarisationsebene des einfallenden
Lichtes um einen Winkel von 90° zu drehen. Es entsteht elliptisch polarisiertes
Licht. Durch den nachtolgenden Analysator 10, der wiederum senkrecht zum Polarisator
9 steht, kann nicht die volle Lichtmenge, sondern nur ein Teil hindurchtreten. Dadurch
ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung also nicht nur eine zeilenweiweise Hell-Dunkelmodulation
möglich, sondern es können auch Grautöne erzielt werden.
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In Fig. 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der ertindungsgemäßen
elektrooptischen Anordnung nach Fig. 1 zur zweidimensionalen Licht steuerung gezeigt.
Hinter einer ersten erfindungsgemäßen Anordnung von elektrooptischen Zellen 1 mit
den zugehörigen Elektroden 5 8,.dem Polarisator 9 und einem Analysator 11 ist eine
zweite Anordnung von elektrooptischen Zellen 1 mit
den zugehörigen
Elektroden 5 8 und dem Analysator 10 angebracht. Der mittlere Analysator 11 ist
gegenüber dem Polarisator 9 und dem Analysator 10 um einen Winkel von 90° gedreht.
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Weiterhin sind in der Anordnung gemäß Fig. 2 die elektrooptischen
Zellen 1 und die zugehörigen Elektroden 5; 8 der zweiten Anordnung gegenüber der
ersten Anordnung so um einen Winkel von 900 gedreht, daß sie - in Ausbreitungsrichtung
des Lichtes geseien - die elektrooptischen Zellen 1 und :ie zugehörigen Elektroden
5 8 der ersten Anordnung senkrecht schneiden.
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Wird nun der n-te Schalter 6 der ersten Anordnung und der m-te Schalter
6 der zweiten Anordnung betätigt, so liegen an der n-ten Elektrode 5 der ersten
Anordnung und der m-ten Elektrode 5 der zweiten Anordnung die Spannungen der Spannungsquellen
7 an.
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Sind diese Spannungen zur Drehung der Polarisationsebenen um einen
Winkel von 90° ausreichend bemessen, so kann im Ereuzungsbereich der durch die beteiligten
Elektroden 8 begrenzten Zeile n und Spalte m Licht durch die gesamte Anordnung hindurchdringen.
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Durch Variation der Größe der Spannung an den Elektroden 5 kann auch
bei der Anordnung nach Fig. 2 die hindurchgelassene Lichtmenge gesteuert werden.