-
Anordnung zur Lichtsteuerung Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Lichtsteuerung mittels einer durch elektrische Felder beeinflußbaren Substanz.
-
Es ist bekannt, Lichtstrahlen mit Hilfe mechanisch bewegter Blendenanordnungen
zu steuern. Diese aus der Fototechnik als Verschlüsse bekannten Anordnungen ermöglichen
Öffnungszeiten bis zu 10-3 Sekunden und haben sich für die meisten Gebiete der Fotografie
seit Jahren bewährt.
-
Für kürzere COffnungszeiten hat man sogenannte elektrooptische Verschlüsse
entwickelt, die als elektrische Bildwandler, als Kerrzellen oder als ferroelektrische
Kondensatoren ausgebildet wurden. Mit diesen Anordnungen können Verschluß- bzw.
Öffnungszeiten bis herunter zu 10-9 Sekunden verwirklicht werden. Neben der außerordentlich
schnellen Arbeitsweise haben diese Verschlüsse weiterhin den großen Vorteil, daß
sie, bedingt durch das Fehlen mechanisch bewegter Teile, keinerlei Verschleiß unterworfen
sind. Die Nachteile dieser Anordnungen, die in bezug auf Schnelligkeit, Sicherheit
und Verschleißfestigkeit auch den höchsten Anforderungen genügen, bestehen in dem
relativ hohen technischen Aufwand, ihrer Kompliziertheit sowie in der Tatsache,
daß zur Steuerung elektrische Spannungen von mehreren tausend Volt erforderlich
sind. Darüber hinaus sind die meisten dieser Anordnungen sehr groß und sperrig,
so daß sie für viele Zwecke nur bedingt verwendbar sind. Die in der deutschen Auslegeschrift
1104 610 beschriebene Anordnung läßt sich zwar mit Steuerspannungen von wenigen
Volt betreiben, ist aber, nachdem der Steuereffekt auf lonenwanderung beruht, um
mehrere Größenordnungen langsamer als die oben beschriebenen elektrooptischen Verschlüsse.
-
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung bei einer
Anordnung zur Lichtsteuerung mittels einer durch elektrische Felder beeinflußbaren
Substanz vorgesehen, daß ein nahe dem Totalreflexionswinkel oder im Totalreflexionswinkel
zwischen den Begrenzungsflächen der Substanz mehrfach reflektierter Lichtstrahl
auf Grund des Goos-Hähnchenschen Seitenversetzungseffektes bei Anlegen eines elektrischen
Feldes bei jeder Reflexion um einen dem Felde proportionalen Betrag parallel zu
sich selbst verschoben wird. Da der Strahl, wie schon gesagt, innerhalb der Substanz
mehrfach hin- und herreflektiert wird, ergeben sich beim Austritt des Strahles aus
dieser Substanz Versetzungen, die der Summe der einzelnen Versetzungen bei jeder
Reflexion gleich sind. Der Goos-Hähnchensche Seitenversetzungseffekt besteht darin,
daß ein sehr nahe dem Winkel der Totalreflexion an einer Grenzfläche reflektierter
Strahl nicht von derselben Stelle der Grenzfläche zurückgeworfen, sondern in der
Einfallsrichtung seitlich versetzt wird. Da der Grenzwinkel der Totalreflexion von
der Brechzahldifferenz der sich an der Grenzfläche berührenden Substanzen abhängt,
ist es möglich, die Verschiebung des Austritts eines Strahles durch Änderungen der
Brechzahlen einer oder beider dieser Substanzen zu steuern. Es ist daher gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgedankens eine Anordnung vorgesehen,
bei der die die Verschiebung des Lichtstrahles bewirkende Vorrichtung aus einer
mit Kondensatorbelägen versehenen lichtleitenden planparallelen Platte besteht.
-
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgedankens
wird in den Weg des austretenden Strahles eine reflektierende, vorzugsweise gekrümmte
Flächenanordnung gebracht, durch die kleine Verschiebungen des austretenden Lichtstrahles
in große Winkelablenkungen verwandelt werden.
-
Der aus einer derartigen Anordnung austretende, steuerbar verschiebbare
bzw. ablenkbare Lichtstrahl wird auf eine aus Lichtkanälen, Lichtleitern, lichtempfindlichen
Elementen od. dgl. bestehende Anordnung gelenkt. Je nach der Stärke des angelegten
elektrischen Feldes trifft der Strahl auf eines dieser Aufnahmeorgane, durch die
nachgeordnete optische oder elektrische Kreise gesteuert werden. Es ist auch möglich,
den Querschnitt des Strahles so zu wählen bzw. die einzelnen der genannten Organe
so anzuordnen, daß jeweils mehrere von ihnen gleichzeitig beaufschlagt werden. Auf
diese Weise ergibt sich ein Zwei- oder Mehrwegschalter für Strahlenbündel. Wird
der Strahl bei einem bestimmten Zustand des Feldes auf eine Blende oder ein ihn
unschädlich machendes Ablenkelement, bei einem anderen Zustand
des
Feldes jedoch auf ein Auswertorgan geleitet, so ergibt sich der Spezialfall eines
Lichtverschlusses. Soll der Strahl hingegen in Abhängigkeit von der Stärke des angelegten
elektrischen Feldes moduliert werden, so wird in dem Weg des austretenden Strahles
eine Blende derart angeordnet, daß der Strahl in einer Grenzlage ungehindert durchtreten
kann, in der anderen Grenzlage vollständig unterbrochen wird, während er in den
einzelnen Zwischenlagen mehr oder weniger stark geschwächt wird.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgedankens
werden die Eintritts-bzw. Austrittsflächen des Lichtleiters so angeordnet, daß der
eintretende bzw. austretende Strahl sie jeweils senkrecht durchsetzt. Auf diese
Weise werden unerwünschte, auf Streuungs- oder Beugungseffekten beruhende Lichtverluste
und sonstige unerwünschte Nebenerscheinungen weitgehendst vermieden. Es ist aber
auch möglich, die Eintrittsfläche des lichtleitenden Körpers so auszubilden, daß
sie einen spitzen Winkel mit der Richtung des eintretenden Lichtstrahles bildet,
so daß bei Änderungen des Brechungsindexes durch Änderung des Brechungswinkels eine
Änderung der Reflexionswinkel des im Inneren der Substanz mehrfach reflektierten
Strahles verursacht wird. Diese Änderung der Reflexionswinkel ergibt an jedem Reflexionspunkt
eine weitere seitliche Verschiebung des Lichtstrahles, die sich zu der durch den
Seitenversetzungseffekt bewirkten Verschiebung addiert.
-
Zweckmäßigerweise werden die Winkel des einfallenden Lichtstrahles
und der Eintrittsfläche dabei so gewählt, daß der für den Goos-Hähnchenschen Seitenversetzungseffekt
optimale Winkel bei Veränderung des elektrischen Feldes durch die Summierung der
durch die steuerbare Beugung und die Veränderung des Grenzwinkels der Totalreflexion
hervorgerufenen Effekte erreicht wird. Eine nach diesen Gesichtspunkten aufgebaute
Anordnung ist außerordentlich empfindlich, da sich allein in der lichtleitenden
Substanz drei Effekte, 'nämlich die Versetzung durch den Goos-Hähnchenschen Effekt,
die Versetzung durch die Änderung des Beugungswinkels und eine durch die zuletzt
genannte Änderung bedingte Steigerung des erstgenannten Effektes, summieren. Die
beschriebene Anordnung hat gegenüber den bisher bekannten Anordnungen den Vorteil,
konstruktiv außerordentlich einfach und daher billig, mechanisch außerordentlich
widerstandsfähig und verhältnismäßig klein zu sein. Als weiterer Vorteil sind die
relativ geringen zur Steuerung erforderlichen Spannungen zu betrachten, da selbst
relativ geringe Versetzungen an einzelnen Reflexionspunkten durch die häufige Umkehrung
des Strahles zu technisch verwertbaren Gesamtversetzungen führen, die durch die
weiter oben erwähnten Reflexions- bzw. Ablenkflächen in beträchtliche Winkelablenkungen
umgewandelt werden können. Die Ablenkung des aus dem lichtleitenden Körper austretenden
Strahles kann selbstverständlich auch durch linsenähnliche Elemente erfolgen. Eine
weitere Steigerung des Effektes ist dadurch zu erreichen, daß der Strahl an Grenzflächen
von Substanzen reflektiert wird, die unter der Wirkung des angelegten elektrischen
Feldes ihre Brechungsindizes in verschiedenen Richtungen ändern. Die Erfindung erstreckt
sich auch auf lichtleitende Körper, deren Form von der geraden abweicht, also beispielsweise
auf zylinder- oder spiralförmig gekrümmte lichtleitende Elemente.
-
Die zum Aufbau der vorliegenden Anordnung zu verwendenden Substanzen
sollen einen starken Kerreffekt aufweisen, wie das beispielsweise bei Schwefel-Kohlenstoff,
Kalium-Dihydroaenphosphat od. dgl. der Fall ist.
-
Die Erfindung wird anschließend an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert.
-
Das aus der monokromatischen Lichtquelle 1 austretende Licht wird
durch die Linse 2 parallel gemacht. Ein schmaler Bereich 4 des durch die Blende
3 hindurchtretenden Lichtes tritt in den beispielsweise aus Kalium-Dihydrogenphosphat
bestehenden Körper, in dem sein weiterer Verlauf der Einfachheit halber durch eine
einzige Linie 6 dargestellt wird. Die Richtung des Strahles 6 ist so gewählt, daß
an der unteren Grenzfläche des Körpers 5 und weiterhin auch an der oberen Grenzfläche
jeweils Totalreflexion stattfindet. Dieser im folgenden mit a bezeichnete Winkel
ist so gewählt, daß die Totalreflexion noch unter einem vom Grenzwinkel um einen
endlichen Betrag von mehr als 0,001 Radiant (1° - =r/180 Ra diant) verschiedenen
Winkel erfolgen kann. Wie aus der Figur weiter zu ersehen, verläßt der Strahl 6
nach mehreren Reflexionen den Körper 5 und trifft auf die reflektierende, gekrümmte
Fläche 7 auf, von der er unter dem gleichen Winkel reflektiert wird. Der planparallele
Körper 5 ist weiterhin mit zwei Elektroden 11 und 12 versehen, die über den Schalter
13 mit der Spannungsquelle 14 verbunden sind. Die Elektroden 11 und 12 sind mittels
einer Substanz auf dem Körper 5 befestigt, die einen derartigen Brechungsindex aufweist,
daß die gewünschte Brechzahldifferenz an den Grenzflächen des Körpers 5 sichergestellt
ist. Durch Schließen des Schalters 13 wird zwischen den Elektroden 11 und 12 ein
elektrisches Feld erzeugt, das den Brechungsindex des Körpers 5 verändert. Durch
die Veränderung dieses Brechungsindexes werden die Grenzwinkel der Totalreflexion
an den Reflexionspunkten des Strahles 6 derart verändert, daß auf Grund des Goos-Hähnchenschen
Effektes der reflektierte Strahl nicht von derselben Stelle der Grenzfläche zurückgeworfen
wird, auf die der eintreffende Strahl auffällt. Da diese Seitenversetzung bei jeder
Reflexion auftritt, ergibt sich beim Austritt des Strahles, wie aus der Figur zu
ersehen ist eine Gesamtversetzung die der Summe der einzelnen Versetzungen entspricht.
Der unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes entstehende Strahlenverlauf
ist in der Figur durch die gestrichelte Linie 8 dargestellt. Der Strahl 8 verläßt
den Körper 5 in einer entsprechend versetzten Stellung und trifft dabei unter einem
anderen Winkel auf die reflektierende Fläche 7 auf. Im Bereich des Schwenkungswinkels
der Strahlen 6 bzw. 8 befindet sich die Blende 15, in die eine Anzahl von Lichtleitern
16 mündet. Bei Fehlen eines elektrischen Feldes wird der mit 6 bezeichnete Strahl
in den obersten Lichtleiter 16 gelenkt, durch den er zu einer nicht dargestellten
Auswerteinrichtung geleitet wird. Wird der Schalter 13 geschlossen, so entsteht
zwischen den Elektroden 11 und 12 ein elektrisches Feld, durch das der Strahl den
durch die Bezugsziffer 8 dargestellten Verlauf nimmt und in den untersten der Lichtleiter
16 eintritt, von wo er zu einem anderen Auswertelement
gelangt.
Wird bei geschlossenem Schalter 13 der Widerstand 17 verändert, so wird, bedingt
durch die Veränderungen des zwischen den Elektroden 11 und 12 gebildeten elektrischen
Feldes, der Lichtstrahl zwischen den durch die Linien 6 und 8 bezeichneten Grenzlagen
bewegt und tritt je nach der Stärke des vorliegenden Feldes in einen der Lichtleiter
16 ein. Es ist auch möglich, den Lichtstrahl so breit auszubilden, daß er bei seiner
Schwenkbewegung abwechselnd einen bzw. zwei Lichtleiter beaufschlagt.
-
Es ist ferner auch möglich, anstatt den Brechungsindex des lichtleitenden
Körpers 5 den Brechungsindex der an den Grenzflächen dieses Körpers liegenden Substanzen
zu verändern. Das für diese Änderungen erforderliche elektrische Feld wird zweckmäßigerweise
durch für jede Reflexionsfläche gesonderte Elektrodenpaare erzeugt.