DE2017615A1 - Anordnung zum Schalten von gerichteten Lichtstrahlenbündeln mit hohem Kontrast - Google Patents

Description

U-MH1970

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den

Wittelsbacherplatz 2

70/2038

Anordnung zum Schalten von gerichteten Lichtstrahlenbündeln mit hohem Kontrast . ·

Einige organische Verbindungen besitzen innerhalb eines gewissen Temperaturbereichs einerseits die Eigenschaften einer Flüssigkeit, d. h. sie nehmen unter dem Einfluß der Schwerkraft die Gestalt des sie aufnehmenden Gefäßes an und bilden eine freie Oberfläche und zeigen andererseits Kristalleigenschaften, z. B. Doppelbrechung. Je nach der Kristallisationskraft und der inneren Reibung bilden sich innerhalb der Flüssigkeit kristallartige Teilchen aus, die jedoch so weich sind, daß sie sich beim Berühren eines Hindernisses sofort deformieren. Man spricht von Flüssigkristallen.

Flüssigkristalle haben zwei Schmelzpunkte. Beim tieferen geht der feste Kristall in eine trübe Flüssigkeit über; beim höheren klärt sich die Flüssigkeit plötzlich und verhält sich von da ab wie eine gewöhnliche Flüssigkeit. Die Trübe der Flüssigkristalle rührt daher,daß an den rundlichen oder unregelmäßigen Grenzen der kristallartigen Teilchen, sowie durch das Übereinandergreifen der verschieden orientierten Schwärme Beugung, Reflexion und Streuung des Lichts auftritt. Die Trübe verschwindet, wenn durch Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes die Ausrichtung der Schwärme erzwungen wird.

Diese Eigenschaft ermöglicht die Verwendung von Flüssigkristallen als elektrisch gesteuerte Lichtschalter. Durch

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punktweises Anlegen dös elektrischen Feldes über matrixartig angeordnete (durchsichtige) Elektroden an eine ausgedehnte dünne Schicht von Flüssigkristallen läßt sich eine Art Lachttableau zur Darstellung beliebiger» bei- . spielsweise alphanumerischer Zeichen bilden. Allerdings führt eine solche Anordnung nur zu geringen Kontrasten, da das Licht auch durch die getrübte Schicht dindurchtritt, lediglich mit geänderter-, nämlich statistischer Richtungsverteilung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe/Zugrunde, eine Anordnung anzugeben, die es unter Verwendung von ganz oder teilweise zwischen einem glasartig durchsichtigen und einem lichtstreuenden Zustand umschaltbaren Elementen gestattet, einen starken Kontrast bzw. ein großes Intensitätsverhältnis zwischen dem ungehindert durchgelassenen und dem gestreuten Lichtstrahl zu erzielen (Lichtschalter).

Gemäß der Erfindung ist die Anordnung gekennzeichnet durch ein dem Schaltelement nachgeordnetes räumliches Filter, das aus einer (allgemeinen) Sammellinse und einem im Schnittpunkt des hinter der Linse konvergierenden Strahlenbündels angeordneten, angepaßten ebenen Filter besteht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme schematischer Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.

Im einfachsten Fall wird, wie die Figur zeigt, als einfallender Strahl ein Parallelstrahlenbündel 1 verwendet. Setzt man zunächst voraus, daß das Schaltelement 2 den Parallelstrahl ungehindert durchläßt (eine etwaige Parallelverschiebung oder allgemeine Richtungsänderung kann außer Betracht

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bleiben), so wird der Parallelstrahl durch die Sammellinse 3 im Brennpunkt vereinigt. An dieser Stelle ist eine Lochblende 4 angeordnet, deren Lochdurchmesser nur einige Wellenlängen des vorzugsweise monochromatischen Lichts beträgt. Das Strahlenbündel divergiert hinter der Lochblende und kann beispielsweise durch eine zusätzliche Sammellinse 5 wieder in einem Parallelstrahl übergeführt werden.

Es ist zweckmäßig, als Lichtstrahl einen Laserstrahl zu verwenden, da er eine außerordentlich gute Parallelität besitzt, monochromatisch ist und aufgrund seiner Entstehung auch in den Randbereichen ebene, von Beugungserscheinungen praktisch unbeeinflußte Wellenfron.ten aufweist. Dies erlaubt eine sehr gute Konzentration des Lichtbündels im Brennpunkt der Sammellinse 3 und damit eine scharfe Ausblendung durch die Lochblende 4. Wie Versuche gezeigt haben, laßt sich mit einem Schaltelement mit Flüssigkristallen, das ohne zusätzliche Maßnahmen ein Verhältnis der Lichtintensitäten in den beiden Schaltzuständen von etwa 5s 1 ■' ergibt,'bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ein Intensitätsverhältnis von etwa 10 s 1 erreichen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Sammellinse 3 selbstverständlich durch ein System von Linsen ersetzt werden kann.

Es wurde schon erwähnt, daß beispielsweise durch eine matrixartige Anordnung einer Vielzahl von Steuerelektroden für das Schaltelement eine örtlich "begrenzte Steuerung des flächigen Schaltelements erreicht werden kann, womit sich z. B. alphanumerische Zeichen darstellen lassen. Ein Lichtstrahl, der ein nur teilweise in den voll durchlässigen Zustand gesteuertes Schaltelement durchsetzt, soll im folgenden als informationstragender Lichtstrahl bezeichnet werden. Trifft ein solcher Strahl auf einen Sehirin 6, „ so entsteht dort ein Abbild der voll durchlässig gesteuerten Bereiche des Schaltelements. Die erzielbaren Kontraste

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•sind Jedooft gering.

Eine ganz erhebliche Steigerung der Kontraste. läSt sich mit der Anordnung nach der Figur erreichen. Dabei ist es notwendig ;, die Durchlässigkeitsfunktion des Filters im Brennpunkt der Sammellinse 3> im Fall einer Lochblende also deren LocMurchiaesger, an den Informationsgehalt des Lichtstrahls' anzupassen. Dies soll im folgenden näher erläutert werden. Für die Erkennbarkeit der durch entsprechende Steuerung in das Schaltelement eingeschriebenen Information durch Abbildung auf einem Schirm 6 und visuelle Betrachtung oder durch Messung mit einem lichtempfindlichen Empfänger ist das Auflösungsvermögen von grundlegender Bedeutung. Aus einer bestimmten Verteilung von Hell-Dunkel-Stellen "auf dem flächigen Schaltelement, beispielsweise aus einem gleichmäßigen Raster, läßt sich unter formeller Anwendung der Fouriertransformation eine Spektralfunktion, die Fourier-Transformierte? herleiten,, Die räumlichen Spektralkomponenten des .inforaiationstragenden"Lichtstrahls entsprechen einer Beugung an -den. Hell-Buakel-Übergängea im Schaltelement-« Da diese Spektr-alltoaponenten für eil© Erkennbarkeit der in dem Schaltelement jeweils enthaltenen und dem Lichtstrahl aufgeprägten Information wichtig sind_ä ist es erforderlich, den IsocMurchmesser der Blende gegenüber «teni vorher beschriebenen.Beispiel zu vergrößern«

Eine Übertragung der hier vorliegenden räumlichen Verhältnisse auf das Gebiet zeitlicher Vorgänge, bei denen die Anwendung der Fouriertransformation geläufiger ist, erleichtert das Verständnis. Es ist allgemein bekannt, zur Trennung der aus einer zeitlichen Fdge von Signalen, beispielsweise aus Binärschritten bestehenden Information von irgendwelchen Störgeräuschen ein Frequenzfilter vorzusehen. Die DurchlaÖbreite des Frequenzfilters, z, B. eines Bandpasses, soll daher einerseits möglichst gering, andererseits aber doch für die Übertragung der Information ausreichend groß

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sein. Das Frequenzfilter muß mindestens den der Mittelwertskomponente bzw. der Trägerkomponente nächstliegenden Teil des Fourierspektrums ungehindert durchlassen. Andernfalls besteht die Gefahr, daß eine Information nicht mehr erkannt bzw, von einer anderen Information nicht mehr unterschieden werden kann.

Aus dem gleichen Grund darf das Eichtungsfilter beim Anmeldungsgegenstand nicht übermäßig trennscharf sein. In bestimmten Fällen, beispielsweise zur Darstellung von aus Rasterpunkten gebildeten Zeichen, kann es jedoch zweckmäßig sein, .die Bilder der einzelnen Rasterpunkte so unscharf zu machen, daß sie als solche gar nicht mehr deutlich erkennbar sind, sondern nur noch durch die Gesamtheit aller zu einem Zeichen gehörenden Punkte wirken.

Es sei noch erwähnt, daß anstelle einer Lochblende auch eine Blende Verwendung findenkann, die einen.allmählichen Übergang von einem für Licht voll durchlässigen Zentrum in das undurchlässige Außengebiet aufweist. Ferner ist die Anwendung der Erfindung nicht auf Schaltelemente mit Plüssigkristallen begrenzt. Sie ist in allen fällen anwendbar, in denen ein Medium durch ein Steuersignal zwischen einem glasartig durchsichtigen Zustand und ,-einem* Zustand mit statisch verteilter oder regelmäßig geordneter Lichtstreuung umgeschaltet werden kann.

1 Figur ■*■■-" ."-.-."",-4 Patentansprüche

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Claims (4)

- 6 - ■'■-* Patentansprüche

1. Anordnung ZHm Schalten von gerichteten Mchtstrahlenbündeln mit. hohem Kontrast unter Verwendung eines Schaltelements, das abhängig von einem Steuersignal eine Änderung der räumlieiiers Fourier-Transformierten des Mchtbündels hervorruft» g e k e η η-ζ e i c h η e t durch ein dem Schaltelement (2) nachgeordnetes räumliches Filter, das aus einer (allgemeinen) Sammellinse (3) uaui einem im Schnittpunkt dee hinter der Linse (3) konvergierenden StrahlenMndlels angeordneten, angepaßten efeenen^ilter (4) besteht.

2, Anordmt&g nach Anspruch 1, dadurch gekenn- z e ich m. e t, daß die einfallende Lichtwelle eine ebene Welle {ParalXelatrahlenbündel} und das ebene Filter (4) eine Lochblende ist.

3, Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn ze i c h η e t, daß als Schaltelement (2) eine Zelle mit Fliissdgkristallen verwendet ist. °

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3»da durch g e k e it π. ζ eic h η e t, daß das Schaltelement in

bezug auf die senkrecht zur Strahlrichttmg stehende Fläche ungleichmäßig gesteuert wird und die Messung des durch das räumliche Filter tretenden Lichtflusses für die Ermittlung des Informationsgehalts d.es flächigen Schaltelemente benutzt wird.

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