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Verfahren und Einrichtung zur Intensitätsmodulation
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von optischen Signalen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Intensitätsmodulation von optischen Signalen mit binären Funktionen mittels
einer elektrisch steuerbaren Flüssigkristallanordnung, die wenigstens eine Flüssigkristallzelle
mit beiderseitigen, sich kreuzenden ElektrodenscharenFuRweist. Die Erfindung bezieht
sich ferner auf eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Unter einem optischen Signal soll im vorliegenden Zusammenhang eine
mittels Flüssigkristallzellen intensitätsmodulierbare elektromagnetische Strahlung
als Informationsträger verstanden werden. Bei den bekannten Verfahren zur binären
Intensitätsmodulation
solcher Strahlung handelt es sich hauptsächlich
um eine optische Zeichendarstellung. Demgemäss wird hier im allgemeinen ein unmoduliertes
Lichtstrahlbündel hinsichtlich der Intensitätsverteilung über den Strahlbündeiquerschnitt
gemäss der verlangten Zeichendarstellung beeinflusst. Es sind zu diesem Zweck neben
den üblichen Ililssigkristallzellen mit als Zeichenelementen geformten Elektroden
auch zu einer universellen Mosaikdarstellung verwendbare Flüssigkristallzellen mit
ma trixförmig gekrei z ten Elekt rodencha ren bekannt geworden.
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Für letztere kommt eine Zeilen- und Spalten-Koinzidenzansteuerung
mit Teilspannungen nach Art der bekannten Magnet-Matrixspeicher in Betracht, wobei
es sich in Bezug auf die binären Funktionen der beiden Koordinaten um eine zweidimensionale
Konjunktion (logisches UND) in der Matrixfläche handelt. Wegen des vergleichsweise
geringen Steilheitskontrastes des Schwellenbereiches der Steuerkennlinie üblicher
Flüssigkristallzellen stösst dieses Matrix-Steuerverfahren auf Schwierigkeiten,
die nur mit beträchtlichem schaltungstechnischem- und verfahrenstechnischem Aufwand
zu überwinden sind.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Modulationsverfahrens
für optische Signale, das vom Steilheitskontrast der TranSmissla7s-Steuerspannungskennlinie
unabhängig ist und demgemss eine Binärfunktionsdarstellung mit grossem Störsignalabstand
bei geringen schaltungs- und verrahrenstechnischen Anforderungen ermöglicht. Das
errindungsgemässe Verfahren zur Lösung
dieser Aufgabe und die entsprechende
Einrichtung kennzeichnen sich durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale.
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Eine wesentliche Eigenschaft dieses Verfahrens besteht darin, dass
die Differenz zwischen den beiden Steuerpotentialen, d.h.
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die an den Kreuzungsstellen der Elektroden wirksame Steuerspannung,
ohne weiteres so gross bemessen werden kann, dass die Schwellensteuerspannung -
allgemeiner ausgedrückt der Schwellenbereich, d.h. der Bereich der Transmissions-Steuerspannungskennlinie
mit bezüglich der Nachbarbereiche grösserer Steilheit - genügend überschritten und
somit eine Umschaltung zwischen praktisch vollständiger Strahlungsdurchlässigkeit
einerseits und ebensolcher Absorption andererseits erreichbar wird. Dies beruht
auf der hiermit verwirklichten binären Antivalenzfunktion (logisches Exklusiv-ODER)
anstelle einer Konjunktion mit Halbspannungen. Allerdings lassen sich mit dem vorliegenden
Verfahren nicht beliebige zweidimensionale Binärfunktionen darstellen, sondern eben
nur diejenigen, welche der genannten AntivalenzverknÜ.pfung der einer jeden Matrixstelle
zugeordneten Stellen der beiden eindimensionalen Binärfunktionen (Vektoren) als
Steuerfunktionen entsprechen. Indessen besteht gerade für diese Klasse von zweidimensionalen
Binärfunktionen in der optischen Intensitätsmodulation ein breites Anwendungsgebiet,
insbesondere im Hinblick auf die in dieser Klasse enthaltenen Walshfunktionen und
auf die Möglichkeit der Ueberlagerung der binären Modulation mit einer - etwa dem
Eingangsstrahlenbndel
bereits eigenen - kontinuierlichen oder sonstigen
Intensitätsmodulation., Eine solche Ueberlagerung entspricht einer resultierenden,
multiplikativen Intensitätsmodulation, wie sie besonders für Zwecke der Informatiosumsetzung
oder Informationsuebertragung von Interesse ist, z.B.
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für die Sequenzfilterung mit Walshfunktlonen (s. "Internationale Elektronische
Rundschau, 1970, Nr. 3, S. 75 - 75).
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens kennzeichnet
sich dadurch, dass jeweils eine Auswahl von Elektroden und die zu dieser komplementäre
Auswahl von Elektroden ein und derselben Elektrodenschar aufeinanderfolgend mit
dem gleichen Steuerpotential beaufschlagt werden, während eine Auswahl von Elektroden
der anderen Elektrodenschar unverändert mit dem gleichen Steuerpotential beaufschlagt
wird. Hierdurch wird eine bipolar-binäre Modulation eines zweidimensionalen optischen
Intensitätsfeldes möglich, sofern die beiden so erhaltenen, ebenfalls zueinander
komplementären, zweidimensionalen Binärfunktionen zueinander gegensinnigen Polaritäten
zugeordnet werden. Eine entsprechende Signalverarbeitung ist unter Zuhilfenahme
elektrischer Speichermittel auch bei multiplikativer Ueberlagerung mit einer zugeführten
zweidimensionalen Intensitätsverteilung ohne grossen Schaltungsaufwand möglich.
Damit kann wlederum insbesondere einer zweidimensional-rRumlichen Modulation eines
Helligkeitsfeldes mit Walshfunktionen Rechnung getragen werden, wobei der Uebergang
vom optischen zum
elektrischen Signalbereich nur vergleichsweise
einf'ache Wandleranordnungen erfordert. Bei genügend weitgehender Unterdrückung
der jeweils komplementären Binärfunktion, d.h. genügend geringer Resthelligkeit
der nichttransmittierenden Matrixstellen, wie sie mit dem vorliegenden Verfahren
bevorzugt möglicht ist, kommt man mit einer einfachen, den opto-elektrischen Wandlern
nachgeschalteten Speicheranordnunp; aus, deren Elemente dann immer nur bei einer
der beiden komplementären Ansteuerungen einen intensitätsabhängigen, analogen Speicherinhalt
bekommen. Bei Verwendung von Speicherelementen mit bipolarem Ausgangssignal kann
die Zuordnung zu den gegensinnigen Polaritäten leicht durch Polaritätsumschaltung
der Wandlersignale entsprechend der Komplementärumschaltung des optischen Modulationsfeldes
in Gestalt der Elektrodenmatrix erreicht werden.
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Das Verfahren kann sowohl zur zeitlich veränderlichen Modulation wie
auch zur zeitlich konstanten Filterung mit Ansteuerung gleichbleibender - gegebenenfalls
nur komplementär umgeschalteter - Elektrodenauswahlen verwendet werden. Im Falle
einer zweikanalig-parallelen optischen Verfahrensweise können sogar zwei für sich
vollständig starr angesteuerte Flüssigkristallzellen mit anschliessender elektrischer
Zusammenführung der komplementären Funktionen für eine binär-bipolare Modulation
(Walshfunktionen) verwendet werden.
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Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die in den
Zeichnungen
schematisch veranschaulichten Ausführung,sbeispiele erläutert. Hierin zeigt: Fig.l
den prinzipiellen Aufbau eines zweidimensionalen optischen Binärmodulators, Fig.
2A einen eindimensionalen Ansteuerzustand des matrixförmigen Modulationsfeldes,
Fig.2B einen zweidimensionalen Ansteuerzustand des Modulationsfeldes, Fig.3 den
prinzipiellen Aufbau einer Komplementärumsohaltung einer Elektrodenanordnung zur
zweidimensionalen, bipolaren Binärmodulation und Fig.'{A bis 4F je eine spezielle
zweidimensionale Binärfunktion als antivalente Verknüpfung zweier Binärvektoren.
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Die in Fig.l gezeigte Einrichtung umfasst ein Objektiv 1, durch das
ein Strahlbündel mit vorgegebener Intensitätsverteilung über den Strahlbündelquerschnitt
- beispielsweise entsprechend einem vorgegebenen Bildinhalt - über eine Flüssigkristallzelle
2 auf ene opto-elektrische Wandleranordnung 5 mit mehreren, gesonderten Wandlern
projiziert wird. Plüssigkristellzelle und Wandleranordnung sind deutlichkeitshalber
mit grösserem Abstand daF gestellt und liegen tatsächlich unmittelbar aneinander.
Weiter ist das Strahlbündel vereinfacht als Parallelstrahlbündel 4 angedeutet. Das
so gegebene zweidimensionale Intensitätsfeld als Eingangssignal soll nun mit einer
eucnsolchen Binarfunktion,
und zwar beispielsweise mit einer bipolaren,
multiplikativ moduliert werden. Dazu ist die Flüssigkristallzelle 2 beider seits
mit sich kreuzenden Elektrodenscharen 5 und 6 und entsprechenden Anschlussvielfachen
5a und 6a versehen. Jede der Elektrodenscharen ist einem Binärvektor mit einer der
Elektrodenzahl entsprechenden Stellenzahl zugeordnet. Das zugehörige Anschlussvielfach
wird parallel mit Steuersignalen beaufschlagt, die entsprechend den Binärwerten
der zugehörigen Stellen der modulierenden Vektoren ein erstes bzw. zweites Steuerpotential
aufweisen. Wenn also die Binärwerte wie vorausgesetzt bipolar durch +1 und -1 repräsentiert
werden, so erhalten die dem Stelleninhalt +1 der beiden Steuervektoren zugeordneten
Elektroden beider Elektrodenscharen z.B. das erste Steuerpotential und die dazu
jeweils komplementären Elektrodenauswahlen, d.h.
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alle anderen Elktroden, das zweite Steuerpotential. Für das durch
die sich kreuzenden Elektrodenscharen gebildete, matrixförmige Modulationsfeld gilt
nun, dass alle Matrixstellen, die Kreuzungen von (+l)-Elektroden mit (-l)-Elektroden
entsprechen, mit der Differenz zwischen erstem und zweitem Steuerpotential, d.h.
mit der - genügend über dem Schwellenbereich liegenden -Steuerspannung beaufschlagt
werden, die Matrixstellen entsprechend Kreuzungen zwischen (+l)-Elektroden unter
sich sowie entsprechend Kreuzungen zwischen (-l)-Elektroden unter sich jedoch mit
der Potentialdifferenz Null. Die mit der Steuerspannung beaufschlagten Matrixstellen
sind also mit den entsprechenden Stellenpaaren der Steuervektoren durch logische
Antivalenz
verknüpft, die zweidimensionale Modulationsfunktion
insgesamt ebenso mit den beiden Steuervektoren. Die Erzeugung der den Binärstellen
dieser Steuervektoren entsprechenden Steuerpotentiale kann mit üblichen Mitteln
in vielfältiger Weise erfolgen und wird an einem Beispiel noch näher erläutert.
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In Fig.2A ist als einfachstes Beispiel eines etwa der x-Achse zugeordneten
Steuervektors (x0=-l, x1=-1, ... , x5=+l, x6=-1, ... , x9=-1) die Beaufschlagung
nur der Elektrode X5 mit der Steuerspannung angedeutet. Die Stellenzahl von x- und
y-Vektor ist mit 10 angenommen. Nachdem der y-Vektor nach Flg.2A nur die Binärwerte
-1 aufweist, wird nur die Matrixspalte X5 erregt, im Falle einer Feldeffektzelle
also opak (Transmission Null) ausgesteuert.
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Fig.2B zeigt entsprechend die Ansteuerung der FlUssigkristallzelle
mit übereinstimmendem x- und y-Vektor (X5, y5=+1, übrige Stellen -1). Gemäss der
Antivalenzverknüpfung bleibt die Matrixstelle x5/y5 unausgesteuert.
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Die bipolare Modulation macht bei Verwendung einer einzigen Flüssigkristallzelle
noch eine Ergänzung der Elektrodenansteuerung notwendig, weil immer einer der beiden
Binärwerte durch Auslöschung der Strahlungsintensität hinter der FlUssigkristallzelle
dargestellt wird. Mit der Schaltung nach Fig.3, in der eine Flüssigkristallzelle
2 mit sich kreuzenden Elektrodenscharen
und entsprechenden Anschlussvielfachen
5a, 6a angedeutet ist, wird dies durch Umschaltung der Ansteuerung einer der beiden
Elektrodenscharen zwischen dem vorgegebenen und seinem komplementären Steuervektor
erreicht. Die beiden vorgegebenen Steuervektoren werden an den Je einem Anschlussvielfach
zugeordneten Auswahlsch.nlt;ern bb bzw. 6b eingestellt.
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Demgemäss werden die Elektroden der Schar 5 über Leitungen I oder
II und die Elektroden der Schar 6 Uber Leitungen I' oder II' mit einem ersten Steuerpotential,
z.B. Erdpotential, bzw. einem zweiten Steuerpotential, z.B. dem Wechselpotential
einer Quelle Q, beaufschlagt. Für Jedes Paar von Steuervektoren wird nun mittels
eines Umschalters S mit zugehöriger Steuereinrichtung P der Anschluss der Leitungen
I' und II' an die beiden Steuerpotentiale vertauscht. Damit wird infolge der Antivalenzverknüpfung
für Jedes Steuervektorpaar die zugehörige zweidimensionale Binärfunktion und ihr
Komplement im Modulationsfeld eingestellt. Nun steht bei entsprechender Zuordnung
zu den gegensinnigen Polaritäten für jede Matrixstelle und jede Polarität der Transmissionszustand
der FlUssigkristallzelle zur Verfügung, so dass eine vollständige bipolare Binärmodulation
möglich ist.
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Die erwähnte Polaritätszuordnung erfolgt in der Einrichtung nach Plg.l
beispielsweise nach einer opto-elektrischen Signalumsetzung mittels der Wandleranordnung
3, die hier für jede Matrlxzeile einen Wandler mit zugehörigem Ausgangsverstärker
3a
und Analogspeicher Sb aufweist. Als Ausgangsverstärker sind bipolare Differenzverstärker
üblicher Art mit Direkteingang und Inverseingang vorgesehen. Diese Eingänge werden
für die Komplementeinstellung des Modulationsfeldes wechselweise an die Wandlerausgänge
angeschlossen, und zwar mittels eines Satzes von Umschaltern 5c, deren gemeinsames
Steuerglied p an die Steuerschaltung P in der Einrichtung nach Fig.5 anzuschliessen
ist. Am Ausgangsvielfach A der Analogspeicher b stehen somit nach erfolgter Komplementumschaltung
die zeilenweise summierten, bipolar binärmodulierten Intensitätssignale des Eingangsstrahlenbündels
in elektrischer Form zur Verfügung, wobei es sich wie verlangt um eine multiplikative
Binär-Analogmodulation handelt.
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Für eine bipolare Binärmodulation mit Zuordnung von nullsymmetrischen
Signalwerten zu den beiden Binärzuständen ist die Zuordnung des positiven oder negativen
Signalwertes zu einem bestimmten Binärzustand grundsätzlich beliebig, folglich auch
die Zuordnung des opaken oder transmissiven Zustandes der Matrixstellen zu den Binärzustä.nden
innerhalb der komplementären Einstellungen, sofern die Zuordnung nur mit der Komplementärumschaltung
wechselt. Wenn also in einem ersten Ansteuerzustand - wie vorstehend beispielsweise
angenommen -die Beaufschlagung einer Matrixstelle mit der Steuerspannung und damit
im Falle einer Streuzelle der opake Zustand dem Binärwert +1 zugeordnet ist, so
muss die entsprechende Zuordnung
im komplementären Ansteuerzustand
für den Binärwert -1 gelten. Die für beide Ansteuerzustände umgekehrte Zuordnung
ist jedoch gleichwertig. Für nicht nullsymmetrische Binärwerte und entsprechende
Signalwerte ist diese Gleichwertigkeit im allgemeinen nicht gegeben.
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Zu den mit der vorliegenden Antivalenzverknüpfung realisierbaren,
zweidimensionalen und bipolar-nullsymmetrischen Binärfunktionen gehören, und zwar
unter Spezialisierung der Stellenzahl der Steuervektoren bzw. des Ranges der entsprechenden
Matrix auf geradzahlige Zweierpotenzen und insoweit abweichend von den in Fig.l
bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen, insbesondere die Walshfunktionen. Diese
Funktionen haben für die Modulation und Filterung von Signalen für Zwecke der Informationsübertragung
und Informationsverarbeitung bestimmte vorteilhafte Eigenschaften, die in der Literatur
behandelt sind (s. z.B die oben genannte Literaturstelle aus n Internationale Elektronische
Rundschau").
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In den Figuren 4A bis 4D sind - für Matrizen mit grösserer Stellenzahl
- Beispiele von zweidimensionalen Walshfunktionen angedeutet, die mit der vorliegenden
Antivalenzverknüpfung der Steuervektoren realisierbar sind. Dagegen zeigen die Figuren
4E und 4F Beispiele von nichtorthogonalen Binärfunktionen.
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Abschliessend ist anzumerken, dass die am Ausgangsvielfach A der Einrichtung
nach Fig.l verfügbaren, zeilensummierten Modulationssignale
unmittelbar
ftlr einen ersten Koordinatentransformationsschritt innerhalb einer zweidimensionalräumlichen
Sequenzfilterung eines Helligkeitsfeldes mit Walshfunktionen nach Art von Bild 1
der angegebenen Literaturstelle verwendet werden können. Die verschiedenen Werte
der Walsh-Koordinaten lassen sich dabei einfach durch Eingabe unterschiedlicher
Steuervektoren einstellen. Im Ubrigen wird für diesen einfachen Anwendungsfall nur
eine Koordinate der Modulationsmatrix ausgenutzt, so dass eine für solche Anwendungen
zugeschnittene Einrichtung mit einer vereinfachten Elektrodenanordnung der Flüssigkristallzelle
auskommt.
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