DE1924512A1 - Lichtmodulator - Google Patents

Description

6773-RCA 58 987
Convention Date:
May13, 1968

Radio Corporation o£ America, New York, N.Y., V.St.A.

Lichtmodulator

Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator mit einem photochromischen Körper, einer ersten Lichtquelle, welche durch den photochromischen Körper Licht schickt, und einer im Strahlengang des den photochromischen Körper durchsetzenden Lichtes angeordneten lichtempfindlichen Anordnung zum Wahrnehmen der vom photochromischen Körper austretenden Lichtmenge.

In der modernen Technologie gibt es zahlreiche wichtige Anwendungsmöglichkeiten für optische Einrichtungen. Beispielsweise in der Nachrichtentecli nik bedient man sich des Lasers, der elektromagnetische Wellen im und ae.He dem sichtbaren Bereich des Spektrums emittiert, als Informationsträger. 3ei allen möglichen Arten von Datendarstellgeräten werden letzten Endes Idchtwellendazu verwendet, die darzustellenden Daten dem Betrachter zu vermitteln. Auch wurden optische Koppeleinrichtungen für Schaltungsanordnungen vorgeschlagen. Bei allen diesen Systemen ist eine wirksame Steuerung von Lichtwellen erforderlich. Ein Hauptbestandteil eines solchen Systems ist ein einfacher Ein-Aus-Schalter oder bei fortschrittlicheren Systemen eine Einrichtung zum kontinuierlichen Modulieren der Intensität des Lichtstrahls*

Früher wurden für diese Zwecke mechanische Einrichtungen vie Verschlüsse, Blenden und dergl. verwendet. In jüngerer Zeit wurden verschiedene

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elektro-optische Einrichtungen, die auf dem Kerr- und Pockelseffekt beruhen,, vorgeschlagen. Lichtschaltsysteme dieser Art sind in der USA-Patentschrift 2 909 972 beschrieben. Diese Systeme sind zwar an sich brauchbar, jedoch im allgemeinen sperrig und teuer in der Herstellung, und sie eignen sich ferner nicht ohne weiteres für die Miniaturisierung, die beim derzeitigen Stand der Technologie oder für großflächige Einrichtungen, wie sie für Großflächen-Darstellgeräte geeignet sind, von erheblicher Bedeutung sein kann.

Durch die USA-Patentschrift 3 215 038 ist ein elektro-optischer Lichtmodulator unter Verwendung eines elektrochromischen Materials bekannt. Bei dieser Einrichtung bewirkt ein elektrisches Feld Änderungen der Absorptionskante und der Brechungszahl eines elektrochromischen Materials. Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß sie mit extrem starken elektrischen Feldern betrieben werden muß, um kleine Änderungen der Brechungszahl zu erzielen, und da,; durch diese starken Felder ein Durchschlag verursacht werden kann.

Es wurde gefunden, daß heliochromische oder photochromesehe Materialien bei Änderung ihrer Färb- oder Absorptionseigenschaften ihre Brieäungszahl ändern. Ein helle- oder photochromisches Material kann allgemein als ein Material mit photoneninduzierbaren und photonenlöschbaren Absorptionsbanden definiert werden. Früher beruhten Lichtmodulatoren und Darstellgeräte nit photochromischen Materialien allein auf den darin erhältlichen photonenindaziez-ten Farbänderungen. ErfindungsgemMß wird dagegen von der lichtinduzierten 'Änderung der Brechungszahl Gebrauch gemacht. Erfindungsgeraäß wird die Änderung der Brechungszahl des photochromesehen Körpers, der von einem ersten Liclitätr-^il durchsetzt ist, durch Bestrahlen des photochromisehen ESrpers mit verändez*- lichem Licht dazu benutzt, den Strahlengang eines Teils des von der ersten Lichtquelle auf die lichtempfindliche Einrichtung gerichteten Lichtes zu verändern. Dadurch entfällt das Erfordernis eines komplizierten Adressierschemas, wie es für die elektro-optisehen Einrichtungen gemäß dem Stand der Technik erforderlich ist.

In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine graphische Darstellung der mit einer Änderung der Absorption des photochromisehen Materials verbundenen Änderung der Brechungszahl ;

Figur 2 den Aufriß eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators, der sich besonders für das Schalten nach dent Ein-Jais-Prinzip eignet;

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Figur 3 einen Aufriß eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators mit Fabry-Perot- Interferenzhohlraum; und *

Figur 4 den Aufriß eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators, der mit VeI-leninterferenz arbeitet.

Die optischen Eigenschaften eines helio- oder photochromisehen Materials sini in dem Diagramm nach Figur 1 wiedergegeben. Darin sind sowohl die optische Dichte als auch die Brechungszahl in Abhängigkeit von der Wellenlänge für ein idealisiertes photochromisches Material mit einer photoneninduzierbaren Absorptionsbande in einem Vellenlängenbereich, wo vor der Anregung der Bande Nullabsorption herrscht, aufgetragen. Die gestrichelten Linien des Diagramms geben die optische Dichte bzw. die Brechungszahl des Materials vor der Anregung der Absorptionsbande A wieder. Die mit der Änderung der Absorption verbundene Änderung der Brechungszahl ist durch die ausgezogene Kurve B wiedergegeben. Diese photoneninduzierbare oder photonenanregbare Änderung der Brechungszahl eines photochromischen Materials kann in Einrichtungen ähnlich wie unter Ausnutzung des Kerr- und Pockelseffektes arbeitende elektro-optische Einrichtungen, bei denen eine Änderung der Brechungszahl eines Materials bei Beaufschlagung desselben mit einem elektrischen Feld auftritt, ausgenützt werden. Nachstehend sind verschiedene spezielle Einrichtungen dieser Art beschrieben.

Figur 2 zeigt einen vereinfachten Ein-Aus-Lichtschalter. Eine monochromatische Punktlichtquelle 11 emittiert Licht in demjenigen Bereich, der eine photoneninduzierte Aiiderung der Brechungszahl eines photochromischen Lichtmodulators oder Lichtventils 12 hervorruft. Das Licht aus der Quelle 11 fällt auf eine Eollimatorlinse 13, die einen parallelen Lichtstrahl 14 herstellt und durch den Lichtmodulator 12, der die Form eines Vollastonprismas hat, richtet. Das Vollastonprisma 12 besteht aus zwei dreiseitigen Prismen 15 und 16, die längs der Ebene 17 der Hypotenuse ihres Querschnitts zusammengefügt sind. Mindestens eines der dreiseitigen Prismen besteht aus einem photochromischen Material. Im vorliegenden Fall ist das dreiseitige Prisma 16 photochromisch. Das Vollastonprisma 12 ist in bezug auf das kollimierte Licht 14 so orientiert, daß dieses das Prisma von der einen zur anderen Hauptfläche durchsetzt, wenn das photochromisehe Material eine erste Brechungszahl hat, jedoch an der Verbindungsebene 17 der beiden dreiseitigen Prismen 15 und 16 des Wollastonprismas innen totalreflektiert wird, wenn die Brechungszahl des

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photochromisehen. Materials verändert wird, so daß das Licht 14 aus dem Wollastonprisma 12 in einer Richtung 20 austritt, die gänzlich von derjenigen Richtung verschieden ist, in welcher das Licht austritt, wenn das photochromische Material sich in seinem ersten Absorptionszustand, entsprechend einer ersten Brechungszahl, befindet. Dieser Effekt wird dann erreicht, wenn die Einfallsrichtung des kollimierten Lichtstrahls 14 in das Vollastonprisma 12 in einem Winkel zur Verbindungsebene 17 des Prismas 12 verläuft. Der Winkel ist kleiner als der für innere Totalreflexion erforderliche kritische Winkel bei in seinem ersten Absorptionszustand befindlichem photochromisehen Material, während jedoch die mit der Änderung des Absorptions zustande« verbundene Änderung der Brechungszahl des photochromischen Materials bewirkt, daß der Lichtstrahl 14 in einem solchen Maße abgelenkt wird, daß der Einfallswinkel an der Verbindungsebene 17 größer als der kritische Winkel wird und damit innere Totalreflexion des Lichtstrahls erfolgt. Ein Detektor 18 empfängt das vom Wollastonprisma in einer von zwei Beglichen Ausfallrichtungen austretende Licht. Außerdem ist eine zweite Lichtquelle 19 zum Verändern der Brechungszahl des photochromisehen lörpers vorgesehen. Diese Lichtquelle kann sowohl

färbendes bleichendes

ein als auch ein Licht liefern, so daß sich ein Schalter zum Schalten der Brechungszahl des photochromischen Körpers vom einen in den anderen Zustand ergibt.

Figur 3 zeigt ein vereinfachtes Lichtmodulationssystem, bei welchem eine monochromatische Lichtquelle 21 Licht auf eine Kollimatorlinse 22 schickt. Die lollimatorlinse 22 bildet einen parallelen Lichtstrahl, der anschließend durch einen Fabry-Perot-Interferenzhohlraum 23 aus einem photochromisehen Material tritt. Die durch eine Farblichtquelle 24 verursachte Änderung der Brechungszahl des photochromischen Materials wirkt als Schaltelement des Systems. Das vom Fabry-Perot-Bohlraum austretende Licht durchsetzt eine Sammellinse 25, die das licht auf einen Photodetektor 26, beispielsweise eine Photoζeile fokussiert.

Der Interferenzhohlrau» oder das Etalon 23 ist so konstruiert, daß, wenn das photochromisehe Material sich in einem gegebenen Absorptions zustand ' befindet, d.h. eine bestimmte Brechungszahl hat, die effektive Weglänge des monochromatischen Lichtes durch den Fabry-Perot-Hohlraum ein ganzzahliges Vielfaches νοηλ/2, d.h. der halben Wellenlänge des monochromatischen Lichtes, ist. In diesem Zustand ergibt sich eine maximale Verstärkung der Licht-

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strahlen, und diese Lichtstrahlen werden in die Richtung, aus der sie gekommen'sind, zurückreflektiert, so daß kein Licht auf den Photodetektor 26 trifft. Wenn die Brechungszahl des photochromischen Interferenzhohlraums 23 verändert und dadurch die effektive optische WeglMnge auf einen von einem

, abweichenden Wert ganzzahligen Vielfachen νοηλ/2/geändert wird, wird ein Teil des Lichtes durch den Hohlraum 23 übertragen und mittels der Sammellinse 25 auf den Photo detektor 26 fokussiert. Die Menge des übertragenen Lichtes hängt dabei von der Abweichung der Brechungszahl vom ganzzahligen Vielfachen von λ/2 ab. Wenn die Detektor einheit mit einem Verstärker (nicht gezeigt) gekoppelt ist, der so gewählt ist, daß bei Auftreffen von Licht einer ersten Intensität auf den Photodetektor 26 kein Signal vom Verstärker erzeugt wird, dagegen bei Auftreffen von Licht einer anderen Intensität auf den Photodetektor das Signal erzeugt wird, so kann man das System als ELn-Aus-Schaltelement zur Durchführung von optischen Logikfunktionen verwenden.

Der photochromische Fabry-Perot-Hq hl raum nach Figur 3 kann aus einem photochromisden Strontiumtitanat-RLnkristall, der mit 0,03 % Eisen und 0,03 % lobalt dotiert ist, bestehen. Der tristall kann ungefähr 1 cm lang sein, auf eine Parallelität von besser als 10 Bogensekunden geschliffene Stirnflächen aufweisen und mit einem reflektierenden Belag, beispielsweise, aus Aluminium, auf diesen Flächen, der ein Reflexionsvermögen von 95 % auf jeder Fläche ergibt, versehen sein. Die in Verbindung mit diesem photochromischen Fabry-Perot- Hohlraum 23 verwendete Lichtquelle 21 kann beispielsweise ein abstimmbarer Iryptonlaser sein. Für den Detektor 26 kann ein Photoelektronen-Vervielfacher vom Typ RCA 6199 verwendet werden. Als Schaltlicht 24 zum Verändern der Brechungszahl des photochromischen Körpers kann Licht aus einer Quecksilberdampflampe verwendet werden, das auf einen VeIlenlängendurchlaßbereich von 3100 bis 4600 A* gefiltert ist. Dieses Licht dunkelt den Kristall in sichtbaren Bereich ab. Für das Ausbleichen des Kristalls, so daß dieser auf seine ursprünfliehe Brechungszahl und Farbe zurückgebracht wird, kann Rotund Gelblicht vom Iryptonlaser verwendet werden. Es wurden Änderungen der Brechunfszahl in der Größenordnung von «ehr er en 10 beobachtet, und eine nahezu 100 Jtige Modulation des Lichtes durch den Fabry-Perot-Hohlraum ist möglich.

Statt einer Punktlichtquelle, wie in Figur 3 gezeigt, kann man auch eine Breitlichtquelle verwenden. In diese« Fall können mittels einer Ver-

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Schiebung der Hatingerschen Interferenzzonen Änderungen der Intensität des auf den Photodetektor 26 auftreffenden Lichtes bewirkt werden. Wenn man die Brechungszahl in bestimmten Gebieten des Hohlraums 23 verändert, kann man ein Bild mit einer Graustufung erzeugen.

Figur 4 zeigt ein Lichtmodulationssystem, dessen Wirkungsweise auf WeI-leninterferenzphänomenen beruht. Das System enthält eine monochromatische Lichtquelle 41 und einen ersten Strahlspalter W von beliebiger bekannter Art, der das Ausgangslicht der monochromatischen Lichtquelle zu im wesentlichen gleichen Teilen auf die beiden durch den Strahlspalter gebildeten optischen Strahlengänge verteilt. Spiegel X und Y dienen dazu, die durch die optischen Elemente A bzw. B, von denen mindestens A ein photochromischer lörper ist, hindurchtretenden Lichtstrahlen so zu richten, daß die gleichlängigen Strahlengänge WXZ und WYZ gebildet werden. Das Element Z ist ein weiteres bekanntes, dem Element W ähnliches Bauteil zum Vereinigen des Lichtes von den Elementen A und B zu einem einzigen Ausgangsstrahl, an welchem die Interferenzphänomene beobachtet werden können. Wie erwähnt, haben die Gesamtstrah-1engange WXZ und WYZ ebenso wie die beiden optischen Elemente A und B gleiche Länge. Unter der Voraussetzung, daß die Elemente A und B optisch identisch sind, d.h. die gleiche Brechungszahl haben, ergibt sich das Ausgang^ licht des Elements Z durch Addition der beiden Lichtstrahlen, da die in Z einfallenden Strahlen in Phase sind. Wenn durch Auftreffen eines Schaltlichts aus z.B. einer Lichtquelle S auf den photochromischen Körper A dessen Brechungszahl im Wellenlängenbereich der monochromatischen Lichtquelle 41 verändert wird, ändert sich die effektive optische Weglänge des Strahlengangs W Y Z im Interferenzmodulator, so daß das Licht aus den beiden Strahlengängen bei der Vereinigung in Z außer Fhase ist und dadurch die Intensitäten der beiden Strahlen sich gegenseitig um einen Betrag löschen oder aufheben, der von der Phasenverschiebung der beiden Strahlen abhängt. Wenn die beiden Strahlen um 180 phasenverschoben sind, löschen sie sich vollständig gegenseitig aus, so daß sich eine 100 %ige Modulation des von der lichtempfindlichen Einrichtung 42 erfaßten Ausgangsstrahls ergibt. Der Betrag der gegenseitigen Phasenverschiebung der beiden Strahlen hängt von der durch das auftreffende Schaltlicht bewirkten Brechungszahländerung im photochromischen lörper A ab.

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Als photochromesehe Materialien für die erfindungsgemäßen Lichtmodulatoren kann man au3er dem genannten Strontiumtitanat alle photochromischen Stoffe verwenden. Die Photochromen können organisch oder anorganisch, einkristallin oder polykristallin sein sowie entweder im reinen Zustand oder in Lösung oder Dispersion in einem anderen Medium vorliegen. Wenn das photochromische Material polykristallin ist, sollte es in Form einer Lösung oder Dispersion angewendet werden, um eine Lichtstreuung von den Oberflächen der Kristalliten zu vermeiden. Beispiele geeigneter photochromischer Materialien sirui nit Ionen bestimmter seltener Erden, z.B. Ce- oder La-Sodalit dotiertes Kalziumfluorid sowie mit Mo dotiertes Kalziumtitanat. Weitere Beispiele geeigneter Photochromen sind in den USA-Patentschriften 3 322 552, 3 314 795, 3 329 502 und 3 355 294 genannt.

Die erfindungsgemäßen Lichtmodulatoren eignen sich besonders für Darstell- und Bilderzeugereinrichtungen, insbesondere in Fällen, wo ein Bild, hoher Auflösung gewünscht wird. Die erfindungsgemäßen Lichtmodulatoren können als derartiger Bilderzeuger in der Weise verwendet werden, daß die Brechungszahl des aktiven photochromischen Lichtmodulatormaterials in bestimmten Bereichen entsprechend dem zu erzeugenden Bild verändert wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man den photochromischen Körper mit Schaltlicht abtastet, wobei die Intensität des auf einen gegebenen Fleck oder Punkt des photochromischen lörpers auftreffenden Schaltlichts entsprechend dem gewünschten Bild moduliert wird. Stattdessen kann man auch ein Kontaktdruckverfahren zum Schalten bestimmter Bereiche des photochromischen Körpers des Lichtmodulators verwenden, wobei ein Bild in Form beispielsweise eines Negativs zwischen dem photochromischen Körper und einem kollimierten Schaltlichtstrahl so angeordnet wiid, daß die Intensität des auf den photochromischen Körper auftreffenden Schaltlichtes sich von Punkt zu Punkt entsprechend dem Bild auf dem Negativ ändert.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   My Lichtmodulator mit einem photochromischen Körper, einer ersten Lichtquelle, die Licht durch den photochromischen Körper »ahickt, und einer im Strahlengang des durch den photochromischen Körper hindurchtretenden Lichtes angeordneten lichtempfindlichen Einrichtung zum Wahrnehmen des aus dem photochromischen Körper austretenden Lichtbetrages, gekennzeichnet durch eine zweite Lichtquelle (19, 24, S), welche den photochromischen Körper (12, 23, A) mit veränderlichem Licht bestrahlt, derart, daß die Brechungszahl des photochromischen Körpers geändert und dadurch der Strahlengang eines Teils des von der ersten Lichtquelle (11-13, 21-22, 41) zur lichtempfindlichen Einrichtung (18, 26,_f42) gerichteten Lichtes verändert wird.
2. 2. Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht von entweder der ersten oder der zweiten Lichtquelle Licht zum Wiederherstellen des ersten Wertes der Brechungszahl des photochromischen Körpers bei Abwesenheit des veränderlichen Lichtes enthält.
3. 3. Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, d a du r c h gekennzeichnet, daß das Licht der ersten Lichtquelle (21, 41) monochromatisch ist.
4. 4. Lichtmodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtquelle ein Laser (21) ist, der so abgestimmt werden kann, daß er Licht zum Wiederherstellen des ersten Wertes der Brechungszahl des photochromischen Körpers emittiert.

   5· Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht von der ersten Lichtquelle vor dem Durchtritt durch den photochromischen Körper durch einen Strahlspalter (w) in zwei Lichtstrahlen zerlegt wird, und daß diese Lichtstrahlen anschließend wiedervereinigt werden, derart, daß in Abhängigkeit von den relativen Phasen der Lichtstrahlen bei der Wiedervereinigung die Intensität der Strahlen entweder vergrößert oder verkleinert wird.

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