DE1175362B

DE1175362B - Arrangement for periodic sampling or modulation of light beams

Info

Publication number: DE1175362B
Application number: DET24179A
Authority: DE
Inventors: Dr Hans-Georg Unger
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1963-06-21
Filing date: 1963-06-21
Publication date: 1964-08-06

Description

Anordnung zur periodischen Tastung bzw. Modulation von Lichtstrahlen Die Erfindung betrifft eine Anordnung, mit welcher Lichtstrahlen periodisch getastet bzw. moduliert werden können.Arrangement for periodic sampling or modulation of light beams The invention relates to an arrangement with which light beams are periodically scanned or can be modulated.

In der Kurzzeitphysik und -technik, insbesondere bei Belichtungsproblemen in der Kurzzeitfotografie und bei der Anwendung kohärenter optischer Wellen, besteht mitunter die Aufgabe, einen Lichtstrahl in periodischer Folge aus- bzw. einzuschalten. Dabei soll der Lichtstrahl während des eingeschalteten Zustandes meist eine feststehende Richtung besitzen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die kohärenten Wellen aus einem sogenannten Laser mit ihrer über den Strahlungsquerschnitt definierten Amplituden-und Phasenverteilung kurzzeitig ein- und ausgeschaltet werden müssen. Diese Aufgabe bietet sich bei Impulslasern, in denen durch Gütesteuerung der Resonator nur kurzzeitig auf die hohe Anschwinggüte gesteuert wird. Hierbei wird oft gefordert, daß das Kontrastverhältnis sehr groß ist. Das bedeutet, daß die Strahlintensität im eingeschalteten Zustand in der Anordnung sehr wenig gedämpft wird, während im ausgeschalteten Zustand der Lichtstrahl durch die Anordnung möglichst vollkommen ausgelöscht werden soll.In short-term physics and technology, especially with exposure problems in short-term photography and in the application of coherent optical waves sometimes the task of switching a light beam off or on in a periodic sequence. In this case, the light beam should usually be a fixed one during the switched-on state Own direction. This is especially true when the coherent waves come from one so-called lasers with their amplitude and defined over the radiation cross-section Phase distribution must be switched on and off briefly. This task is useful in pulsed lasers in which the resonator is only briefly controlled by quality control is controlled to the high oscillation quality. Here it is often required that the contrast ratio is very big. This means that the beam intensity when switched on very little is attenuated in the arrangement, while in the switched-off state the Light beam should be extinguished as completely as possible by the arrangement.

Für andere Anwendungsgebiete besteht oft die allgemeine Aufgabe, den Lichtstrahl in periodischer Folge in der Intensität zu modulierten, wobei der Lichtstrahl selbst feststehen soll.For other areas of application there is often the general task that Light beam modulated in periodic sequence in intensity, the light beam should be established itself.

Beide Aufgaben können mit den elektrooptischen Effekten gelöst werden, nur ist es hierbei äußerst schwierig, ein großes Kontrastverhältnis zu erzielen. Die schwache Wechselwirkung zwischen Lichtwelle und Steuerfeld erfordert zur wirksamen Modulation unerwünscht große Steuerfelder, welche nur durch Resonanzüberhöhung in sehr schmalen Modulationsbandbreiten erzeugbar sind. Außerdem besitzen Lichtmodulatoren oder -schalter, die mit einem elektrooptischen Effekt arbeiten, beträchtliche Eigenverluste, so daß der Lichtstrahl selbst im eingeschalteten Zustand erheblich gedämpft wird.Both tasks can be solved with the electro-optical effects, only here it is extremely difficult to achieve a high contrast ratio. The weak interaction between light wave and control field requires to be effective Modulation of undesirably large control fields, which can only be achieved by excessive resonance in very narrow modulation bandwidths can be generated. They also have light modulators or switches that work with an electro-optical effect, considerable intrinsic losses, so that the light beam is attenuated considerably even when switched on.

Eine andere Möglichkeit zur periodischen Modulation bzw. zum periodischen Schalten eines feststehenden Lichtstrahles bietet eine schnell rotierende Scheibe mit Lochblenden längs des Umfanges oder mit einer längs des Umfanges für den Lichtstrahl veränderlichen Durchlässigkeit. Mit dieser Anordnung kann man zwar sehr große Kontrastverhältnisse erreichen, jedoch ist die Schaltgeschwindigkeit durch die maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit des Scheibenmaterials stark begrenzt.Another possibility for periodic modulation or periodic Switching a fixed beam of light provides a rapidly rotating disk with perforated diaphragms along the circumference or with one along the circumference for the light beam variable permeability. With this arrangement you can achieve very high contrast ratios reach, but the switching speed is due to the maximum permissible circumferential speed the disc material is severely limited.

Ziel der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung aufzuzeigen, welche die eingangs erwähnten Nachteile vermeidet.The aim of the invention is therefore to show an arrangement which avoids the disadvantages mentioned at the beginning.

Bei einer Anordnung zur periodischen Tastung bzw. Modulation von Lichtstrahlen mit Hilfe eines aus zwei Spiegeln bestehenden Drehspiegelsystems und einer Lichtquelle ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, daß der von der Quelle ausgehende Lichtstrahl von dem einen Drehspiegel zu einer Reihe von um die Drehachse in vorbestimmten Abstand angebrachten, konisch gekrümmten Reflektoren umgelenkt wird und von diesen derart zum zweiten Drehspiegel hin reflektiert wird, daß der Ausgangsstrahl mit dem unmittelbar von der Quelle kommenden Lichtstrahl einen konstanten, von Null verschiedenen Winkel bildet.In an arrangement for periodic sampling or modulation of light beams with the help of a rotating mirror system consisting of two mirrors and a light source the invention therefore provides that the light beam emanating from the source from the one rotating mirror to a row of around the axis of rotation at a predetermined distance attached, conically curved reflectors is deflected and from these in such a way to the second rotating mirror is reflected that the output beam with the direct light beam coming from the source has a constant, non-zero angle forms.

In der F i g. 1 ist eine Anordnung dargestellt, welche danach aufgebaut ist. Sie besteht aus einer Lichtquelle Q, welche gebündelte Lichtstrahlen aussendet. Im Strahlengang dieser Lichtquelle ist ein aus zwei Spiegeln 1 und 2 bestehendes Drehspiegelsystem angebracht. Die beiden Drehspiegel rotieren um die gemeinsame Drehachse A mit der Winkelgeschwindigkeit 2 c), wobei die beiden Spiegel um einen Winkel ö gegeneinander versetzt angeordnet sind. Der von der Lichtquelle Q ausgehende Lichtstrahl a wird beim Auftreffen auf den Drehspiegel 1 an diesem reflektiert. Der reflektierte Strahl b gelangt zu einer Reihe von radial um die Drehachse angeordneten, konisch gekrümmten Reflektoren 3, 4, 5... Beim dargestellten Ausführungsbeispiel trifft der erwähnte Lichtstrahl b auf den Reflektor 4 auf, der so ausgebildet und angeordnet ist, daß der Lichtstrahl c zum Drehspiegel 2 hin reflektiert wird. An diesem Drehspiegel wird dann schließlich der auftreffende Lichtstrahl ein weiteres Mal reflektiert, um als Ausgangsstrahl d die Anordnung zu verlassen.In FIG. 1 shows an arrangement which is then built up is. It consists of a light source Q, which emits bundled light beams. In the beam path of this light source there is one consisting of two mirrors 1 and 2 Rotating mirror system attached. The two rotating mirrors rotate around the common one Axis of rotation A with angular velocity 2 c), the two mirrors around a Angle ö are arranged offset from one another. The one emanating from the light source Q When it strikes the rotating mirror 1, light beam a is reflected therefrom. The reflected beam b arrives at a series of radially arranged around the axis of rotation, conically curved reflectors 3, 4, 5 ... In the illustrated embodiment the mentioned light beam b hits the reflector 4, which is designed and is arranged that the light beam c is reflected to the rotating mirror 2 towards. At this rotating mirror is then finally the one that hits it Beam of light reflected once more to leave the arrangement as output beam d.

Der erwähnte Ausgangsstrahl besitzt hierbei bezüglich des Eingangsstrahles a einen konstanten, von Null verschiedenen Winkel, welcher gleich dem doppelten Winkel 8 ist, um den die beiden Drehspiegel l und 2 gegeneinander versetzt angeordnet sind.The aforementioned output beam has here with respect to the input beam a is a constant, non-zero angle, which is equal to twice that Angle 8 is by which the two rotating mirrors 1 and 2 are arranged offset from one another are.

In der F i g. 2 ist die Anordnung als Draufsicht dargestellt. Die beiden um den Winkel ö gegeneinander versetzt angebrachten Drehspiegel sind entsprechend der F i g. 1 mit 1 bzw. 2 bezeichnet. Durch ein nicht dargestelltes Antriebssystem werden diese beiden Spiegel um die gemeinsame Drehachse A mit der Winkelgeschwindigkeit 2 c) in Drehung versetzt. Der von der Quelle Q ausgehende Lichtstrahl a wird bei der eingezeichneten Lage des Drehspiegelsystems mit dem Augenblickswinkel a zwischen dem Spiegel l und dem Lichtstrahl a so reflektiert, wie dies bereits an Hand der F i g. 1 beschrieben wurde. Der Ausgangslichtstrahl d bildet unabhängig von der Drehlage des Spiegelsystems mit dem von der Lichtquelle Q ausgehenden Lichtstrahl a einen konstanten Winkel 2 d, wobei der Winkel b die winkelmäßige Versetzung der beiden Drehspiegel 1 und 2 gegeneinander bedeutet.In FIG. 2 the arrangement is shown as a plan view. The two rotating mirrors attached offset from one another by the angle δ are corresponding to FIG. 1 denoted by 1 and 2, respectively. By means of a drive system (not shown), these two mirrors are set in rotation about the common axis of rotation A at the angular speed 2 c). The light beam a emanating from the source Q is reflected in the indicated position of the rotating mirror system with the instantaneous angle a between the mirror 1 and the light beam a, as already shown in FIG. 1 was described. The output light beam d forms a constant angle 2 d with the light beam a emanating from the light source Q , regardless of the rotational position of the mirror system, the angle b denoting the angular offset of the two rotating mirrors 1 and 2 with respect to one another.

Durch die beschriebene Ausbildung der Anordnung lassen sich extrem kurze Schaltzeiten erreichen. Die Dauer eines solchen Schaltvorganges wird nur durch die Zeit bestimmt, die der Liehtstrahlquerschnitt des Strahles c benötigt, um die Fläche eines der konisch ausgebildeten Reflektoren 3, 4 bzw. 5 zu überstreichen. Dieses Tasten des im Raum feststehenden Lichtstrahles d kann durch folgende Maßnahmen in äußerst kurzer Zeit erfolgen: 1. Wahl einer entsprechend hohen Tourenzahl für das Antriebssystem der beiden Drehspiegel, wobei die Grenze der erreichbaren Geschwindigkeit lediglich durch das Material der Drehspiegel begrenzt ist.The described configuration of the arrangement enables extremely short switching times to be achieved. The duration of such a switching process is determined only by the time that the light beam cross section of the beam c needs to sweep over the surface of one of the conical reflectors 3, 4 or 5 . This scanning of the light beam d fixed in space can be done in an extremely short time by the following measures: 1. Selection of a correspondingly high number of revolutions for the drive system of the two rotating mirrors, the limit of the achievable speed being limited only by the material of the rotating mirror.

2. Wahl eines großen Abstandes zwischen dem Drehspiegelsystem und den Reflektoren, was außer durch die räumlichen Möglichkeiten nur durch die endliche Lichtgeschwindigkeit begrenzt wird, da die Richtung des abgehenden Strahles von der Tourenzahl abhängig ist. 3. Große Bündelung des Lichtstrahles, so daß der Lichtstrahlquerschnitt auf den konischen Reflektoren sehr klein ist. Dieser Maßnahme ist bei inkohärenter Lichtquelle durch die Quellenabmessungen und den Quellenabstand eine Grenze gesetzt. Bei kohärenter Lichtquelle kann man den Lichtstrahl bis zur Größenordnung der Lichtwellenlänge fokussieren.2. Choice of a large distance between the rotating mirror system and the reflectors, which apart from the spatial possibilities only through the finite The speed of light is limited because the direction of the outgoing ray is from depends on the number of tours. 3. Large bundling of the light beam, so that the light beam cross-section on the conical reflectors is very small. This measure is incoherent at Light source set a limit by the source dimensions and the source distance. With a coherent light source, the light beam can be up to the order of magnitude of the light wavelength focus.

Durch geeignete Wahl der obenerwähnten Maßnahmen läßt sich eine Tastzeit von weniger als 10-9 Sekunden erreichen.A sampling time can be achieved by a suitable choice of the above-mentioned measures of less than 10-9 seconds.

Soll mit der Anordnung eine kontinuierliche Intensitätsmodulation des Lichtstrahles erreicht werden, dann kann man die konisch gekrümmten Reflektoren durch einen Reflektorring ersetzen, dessen der Drehspiegelachse des Systems zugekehrte Innenseite so ausgebildet ist, daß er eine stetig ändernde Reflexion der auftreffenden Lichtstrahlen bewirkt.The aim is to achieve continuous intensity modulation with the arrangement of the light beam can be achieved, then you can use the conically curved reflectors Replace with a reflector ring whose axis is facing the rotating mirror axis of the system Inside is designed so that there is a constantly changing reflection of the incident Causes light rays.

Claims

Claims: 1. Arrangement for periodic sampling or modulation of light beams with the aid of a rotating mirror system consisting of two mirrors and a light source, characterized in that the light beam (a) emanating from the source (Q) from the one rotating mirror (1) to a series of conically curved reflectors (3, 4, 5) attached at a predetermined distance around the axis of rotation (A) and is reflected by these to the second rotating mirror (2) in such a way that the output beam (d) with that directly from the light beam (a ) coming from the source (Q) forms a constant, non-zero angle (2 8).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the light source (Q) emits coherent rays.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that instead of the conical reflectors (3, 4, 5) a reflector ring is used, the inside of which, facing the rotating mirror axis (A), causes a constantly changing reflection of the incident light rays.