DE1232673B

DE1232673B - Anordnung zum Auslenken des Ausgangsstrahles eines optischen Senders oder Verstaerkers

Info

Publication number: DE1232673B
Application number: DEJ29639A
Authority: DE
Inventors: Wilton Audubon Hardy
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-12-18
Filing date: 1965-12-18
Publication date: 1967-01-19
Also published as: GB1062856A; FR1466424A; US3432771A

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 g - 53/02

Nummer: 1232 673

Aktenzeichen: J 29639 VIII c/21 g

1 232 673 Anmeldetag: 18.Dezember 1965

Auslegetag: 19. Januar 1967

Zur Ablenkung des Ausgangsstrahles eines optischen Senders oder Verstärkers, z.B. für Abtastzwecke, ist es bekannt, den Ausgangsstrahl nach dem Verlassen des optischen Senders mittels mechanischer Bewegung von Linsen oder Spiegeln in die gewünschte Richtung abzulenken. Die dabei zu erreichende Abtastgeschwindigkeit ist jedoch durch die Geschwindigkeit der mechanischen Glieder begrenzt.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist es bekannt, die Ablenkung des Ausgangsstrahles in dem optischen Sender selbst durch Beeinflussen der Eigenschaften des optischen Resonators mittels Kerr-Zellen oder Faraday-Rotatoren vorzunehmen.

Die Erfindung zeigt eine weitere Lösung der Aufgabe, den Ausgangsstrahl eines optischen Senders oder Verstärkers abzulenken. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung weist gegenüber den Anordnungen, die mit Kerr-Zellen oder Faraday-Rotatoren arbeiten, den Vorteil eines sehr einfachen Aufbaues aus. Für diese Vorrichtung zum Auslenken des Ausgangs-Strahles eines optischen Senders oder Verstärkers, bei dem das als Sammellinse ausgebildete stimulierbare Medium sich zwischen zwei in der Objekt- und der Bildfläche der Sammellinse angeordneten Kugelspiegeln befindet, ist kennzeichnend, daß die beiden im gleichen Abstand R_i vom stimulierbaren Medium angeordneten Kugelspiegel unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, wobei dieser Abstandii₄ zugleich die doppelte Brennweite des als Sammellinse ausgebildeten stimulierbaren Mediums 2 ist, und der Krümmungsmittelpunkt des ersten Kugelspiegels mit dem Mittelpunkt des linsenförmigen stimulierbaren Mediums zusammenfällt, während der Krümmungsmittelpunkt des zweiten Kugelspiegels etwas außerhalb des stimulierbaren Mediums auf der optisehen Achse der Anordnung liegt, und daß das Auslenken des Ausgangsstrahles um einen bestimmten Winkel durch Ändern der Lage des Krümungsmittelpunktes des zweiten Kugelspiegels um einen kleineren Winkel erfolgt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Lage des Krümmungsmittelpunktes des zweiten Kugelspiegels durch eine Drehbewegung des zweiten Kugelspiegels um eine Achse senkrecht zur Achse des stimulierbaren Mediums verändert wird.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kugelspiegel durch sein optisches Äquivalent, einen ebenen Spiegel und eine Linse von gleicher Brennweite, wie der zweite Kugelspiegel sie aufwies, ersetzt ist, zwischen denen eine elektrooptische Ablenkvorrichtung angeordnet ist, der elektrische Steuersignale Anordnung zum Auslenken des Ausgangsstrahles eines optischen Senders oder Verstärkers

Anmelder:

International Business Machines Corporation,
Armonk,N.Y. (V.St.A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Wilton Audubon Hardy, Ossining, Ν. Υ.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 18. Dezember 1964
(419438)

zugeführt werden, durch die die Lage des effektiven Krümmungsmittelpunktes des optischen Äquivalents des zweiten Kugelspiegels verändert und damit der Ausgangsstrahl abgelenkt wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, von denen zeigt

F i g. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der der Resonator des optischen Senders oder Verstärkers mechanisch beeinflußt wird in ihrem Ruhezustand,

Fig. 2 schematisch die Wirkungsweise der ersten Ausführungsform der Erfindung, wenn der optische Resonator verändert wird,

F i g. 3 ein Diagramm, das die Geometrie der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform erläutert,

F i g. 4 eine zweite und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Ruhezustand mit einem elektrooptisch steuerbaren optischen Resonator,

F i g. 5 eine Darstellung, aus der die Wirkungsweise der zweiten Ausführungsform der Erfindung bei der Änderung des optischen Resonators hervorgeht.

Nach F i g. 1 besitzt das stimulierbare Medium 2 des optischen Senders oder Verstärkers die Forrr einer dünnen Linse und ist zwischen zwei Kugel

609 758/2

spiegeln 4 und 6 angeordnet. Die Linse besteht vorzugsweise aus einem dotierten Rubinkristall oder einem mit Uran dotiertem Kalziumfluoridkristall, obgleich auch andere stimulierbare Medien benutzt werden können. Die Spiegel weisen von der Linse den längs der optischen Achse gemessenen Abstand R_i auf, der dem Krümmungsradius des Spiegels 4 (und seiner doppelten Brennweite) entspricht. Der Krümmungsmittelpunkt C₄ des Spiegels 4 liegt im Mittelpunkt der Linse 2. Der Spiegel 6 hat einen anderen Krümmungsradius R₆ (und eine Brennweite R₆/2), so daß sein KriimmungsmittelpunktC₆ nicht mit dem Krümmungsmittelpunkt C₄ zusammenfällt. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist der Krümmungsradius R₆ größer als der Krümmungsradius R_r Die Brennweite der Linse beträgt i?₄/2, so daß, wenn die Anregungsenergie einer Lichtquelle 8 auf die Linse fällt, ein Lichtpunkt auf dem Mittelpunkt (Achse) jedes Spiegels erzeugt wird. Der optische Sender oder Verstärker arbeitet in dieser Weise, da für jede andere Orientierung das auf den Spiegel 6 auftreffende Licht nicht genau in sich selbst zurückreflektiert wird, sondern unter einem Winkel, wodurch die Bildung der hohen Energiedichte innerhalb des optischen Resonators, die zur Erzeugung einer Ausgangsstrahlung des optischen Senders oder Verstärkers erforderlich ist, verhindert wird. Die gleiche Situation liegt offensichtlich vor, wenn der Krümmungsradius R₆ kleiner als R_i ist. In der F i g. 2 ist der Spiegel 6 durch eine mechanische Steuervorrichtung 9 leicht um eine Achse geneigt, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft, so daß sein Krümmungsmittelpunkt C₆ oberhalb der optischen Achse des Systems zu liegen kommt. Wenn der Spiegel 2 geneigt wird, schneidet ein von einem Punkt auf dem Spiegel unterhalb der optischen Achse ausgehender Radius den Mittelpunkt der Linse 2, so daß der Ausgangsstrahl des optischen Senders oder Verstärkers abgelenkt wird. Wie in F i g. 2 dargestellt, wird die Ablenkung des Ausgangsstrahls durch die Linse bestimmt, die die Krümmungsmittelpunkte C₄ bis C₆ verbindet, da dies die einzige Linie ist, die radial zu beiden Spiegeln 4 und 6 verläuft.

Der Ablenkwinkel Θ des Ausgangsstrahls des optischen Senders oder Verstärkers ist größer als der Winkel Φ, um den der Spiegel 6 geneigt wird, entsprechend der Gleichung:

Daher gilt die Beziehung

Ra

φ,

aus der zu ersehen ist, daß der Ablenkwinkel de: Ausgangsstrahls um den Faktor

Ra

R_a — J?,

Ra-R_t

Φ.

Die Geometrie dieses Systems ist in F i g. 3 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Krümmungsmittelpunkt des Spingels 6 aus seiner ursprünglichen Lage C₆ in die neue Lage C₆' gedreht wurde, wobei der Neigungswinkel Φ durchlaufen wurde, wie das dargestellt ist.

Für kleine Winkel gilt:

— R_i

wobei R_e — R_i die Entfernung zwischen den Krümmungsmittelpunkten C₄ und C₆ darstellt. In ähnlicher Weise gilt:

Φ =

Rn

größer ist als der Neigungswinkel des Spiegels.

Den Ausgangsstrahl des optischen Senders odei Verstärkers für das abzutastende Objekt stellt das Licht dar, das entweder den Spiegel 4 oder den Spiegel 6 (oder beide Spiegel) durchdringt.

Wie vorher beschrieben, liefert die in den Fig.] und 2 dargestellte Ausführungsform einen Abtaststrahl, der durch Bewegung des Spiegels 6 abgelenk wird, wobei eine Abtastzeile durch Neigen des Spiegels erzeugt wird. Ein zweidimensionales Raste) kann in ähnlicher Weise dadurch abgetastet werden daß der Spiegel 6 so geneigt wird, daß sein Krümmungsmittelpunkt sich zusätzlich zu der Aufundab bewegung noch in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene bewegt. Eine andere Möglichkeit besteht darin daß bei Verwendung eines Spiegels mit einem Krümmungsradius, der von dem Abstand zur Linse 2 verschieden ist, beide Spiegel 4 und 6 gleichzeitig geneigt werden können, um eine entsprechende Ablenkung des Ausgangsstrahls zu erzielen.

Es ist jedoch offensichtlich notwendig, daß die Linie, die die Krümmungsmittelpunkte der Spiegel verbindet, durch das stimulierbare Medium des Optischen Senders oder Verstärkers verläuft.

Als weitere Abwandlung kann die Funktion dei Linse 2 (Abbilden der Spiegel 4 und 6 aufeinander] durch irgendein optisches Äquivalent übernommer werden, wie beispielsweise durch einen flachen Spiegel, der hinter einer Linse mit der doppelten Brennweite der Linse 2 angeordnet ist. Darüber hinaus können die Funktionen der Linse (Sammelnde Eigenschaft) und die Funktion des stimulierbaren Mediums des optischen Senders oder Verstärkers getrennt werden durch die Verwendung eines stimulierbaren Mediums, das nicht die Eigenschaften einei Sammellinse aufweist in Verbindung mit nichtstimulierbaren (üblichen) Linsen.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung is1 in den F i g. 4 und 5 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 darin, daß der Kugelspiegel 6 durch einen ebenen Spiegel 10 und eine Linse 12 ersetzt ist, deren Brennweite R₆Il beträgt. Die Anordnung von Spiegel und Linse stellt das bekannte Äquivalent eines Kugelspiegels dar, und ihre Brennweite entspricht der Brennweite eines Kugelspiegels mil einem Krümmungsradius R₆. Daher besitzt der Reflektor aus dem Spiegel 10 und aus der Linse 12 einen effektiven Krümmungsmittelpunkt C_e.

Eine elektrooptische Ablenkvorrichtung ist zwischen dem Spiegel 10 und der Linse 12 angeordnet. Die Ablenkvorrichtung enthält zwei Ablenkprismen 14 beliebiger Art, einschließlich der in »Applied Optics«, Bd. 3, Nr. 8, August 1964, auf den S. 988 bis 989 beschriebenen. Sind keine elektrischen Signale den Ablenkprismen 14 zugeführt, wird das Licht nicht abgelenkt und in sich selbst zurück-

Claims

reflektiert, was zur Ausbildung des Ausgangsstrahls des optischen Senders oder Verstärkers längs der optischen Achse des Systems führt. Wenn die elektrischen Signale, die von einer Steuervorrichtung 16 dem einen Ablenkprisma 14 zugeführt werden, nicht mit den Signalen übereinstimmen, die dem anderen Ablenkprisma zugeleitet werden, wird eine Wirkung erzielt, die dem Neigen des Spiegels 6, wie das bei der ersten Ausführungsform der Erfindung der Fall war (Fig. 1 und 2), entspricht. Die elektrischen Signale werden einem oder beiden Ablenkprismen 14 zugeführt (an den Seiten, die parallel zur Zeichenebene verlaufen). Der elektrooptische Effekt ist dem Neigen eines Spiegels darin gleichwertig, daß elektrische Signale eine Änderung des Brechungsindex der Ablenkprismen verursachen, so daß das Licht, das unter einem Winkel zur Achse der Vorrichtung einfällt, in sich selbst zurückreflektiert wird. In F i g. 5 ist dargestellt, wie ein Ausgangsstrahl des optischen Senders oder Verstärkers in dieser Weise geändert wird. Das Anlegen elektrischer Signale an die Prismen 14 ändert den effektiven Krümmungsmittelpunkt des Reflektors, der aus dem Spiegel 10, der Linse 12 und dem Ablenkprisma 14 besteht. Daher befindet sich der Krümmungsmittelpunkt, der sich ursprünglich bei C6 befand, jetzt bei C6'. Offensichtlich kann ein einzelnes Ablenkprisma 14 verwendet werden, und die Teile können so angeordnet werden, daß die Ablenkung durch das Prisma bei fehlendem elektrischem Signal kompensiert wird. Der Ausgangsstrahl des optischen Senders oder Verstärkers tastet einen vorher bestimmten Weg durch Anlegen entsprechend modulierter elektrischer Signale an die Ablenkprismen 14 ab. Die Größe der Ablenkung des Ausgangsstrahls des optischen Senders oder Verstärkers errechnet sich in der gleichen Weise, wie das bei der Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 der Fall war. Eine zweidimensionale Abtastbewegung wird durch Ersetzen des Kugelspiegels 4 (Fig. 4) durch einen ebenen Spiegel, ein Prisma und eine Linsenanordnung von der Art ermöglicht, wie sie auf der rechten Seite der Vorrichtung benutzt wird. Die Prismen sind jedoch um 90° gedreht, um eine Ablenkung in Riehtung senkrecht zur Zeichenebene zu bewirken. Die resultierende zweidimensionale Abtastbewegung ist eine Funktion der zusammengesetzten Modulationssignale, die den beiden Sätzen von Ablenkprismen zugeführt werden. In der vorliegenden Erfindung wurde ein beeinflußbarer optischer Resonator beschrieben, bei dem eine Sammellinse und ein stimulierbares Medium zwischen zwei Reflektoren angeordnet sind. Die Ablen- kung des Ausgangsstrahls des optischen Senders oder Verstärkers wird entweder mechanisch oder elektrooptisch bewirkt durch Ändern der Geometrie des optischen Resonators. Patentansprüche:

1. Anordnung zum Auslenken des Ausgangsstrahls eines optischen Senders oder Verstärkers, bei dem das als Sammellinse ausgebildete stimulierbare Medium sich zwischen zwei, in der Objekt- und der Bildfläche der Sammellinse angeordneten Kugelspiegeln befindet, dadurchgekennzeichnet, daß die beiden im gleichen Abstand (R₄) vom stimulierbaren Medium (2) angeordneten Kugelspiegel (4, 6 in F i g. 1) unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, wobei dieser Abstand (R₄) zugleich die doppelte Brennweite des als Sammellinse ausgebildeten stimulierbaren Mediums (2) ist, und der Krümmungsmittelpunkt (C₄) des ersten Kugelspiegels (4) mit dem Mittelpunkt des linsenförmigen stimulierbaren Mediums (2) zusammenfällt, während der Krümmungsmittelpunkt (C₆) des zweiten Kugelspiegels (6) etwas außerhalb des stimulierbaren Mediums auf der optischen Achse der Anordnung liegt, und daß das Auslenken des Ausgangsstrahls um einen bestimmten Winkel durch Ändern der Lage des Krümmungsmittelpunktes des zweiten Kugelspiegels um einen kleineren Winkel erfolgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Krümmungsmittelpunktes des zweiten Kugelspiegels (6) durch eine Drehbewegung des zweiten Kugelspiegels um eine Achse senkrecht zur Achse des stimulierbaren Mediums (2) verändert wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kugelspiegel (6) durch sein optisches Äquivalent, einen ebenen Spiegel (10 in Fig. 4) und eine Linse (12) von gleicher Brennweite, wie der zweite Kugelspiegel sie aufwies, ersetzt ist, zwischen denen eine elektrooptische Ablenkvorrichtung (14) angeordnet ist, der elektrische Steuersignale (16) zugeführt werden, durch die die Lage des effektiven Krümmungsmittelpunktes (C₀) des optischen Äquivalents des zweiten Kugelspiegels (6) verändert (C_e') und damit der Ausgangsstrahl abgelenkt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1175 792;
USA.-Patentschrift Nr. 3 055 257.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen