DE1514016A1

DE1514016A1 - Anordnung zur steuerbaren elektro-optischen Ablenkung eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE1514016A1
Application number: DE1965J0028293
Authority: DE
Inventors: Harris Thomas Jerome
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-06-08
Filing date: 1965-06-05
Publication date: 1969-04-24
Also published as: FR1445758A; US3353894A; GB1089636A

Description

Neue

IBM Deutschland Internationale Büro-Matdtinen Getellechafi mbH

15H016

Böblingen, 9. September. 1968 ' pr-hn ■■".·.-■

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen: P 15 14 016.6

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 7744

Anordnung zur steuerbaren elektrooptischen Ablenkung eines Lichtstrahls

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur .steuerbaren elektrooptischen Ablenkung eines Lichtstrahls um einen oder mehrere diskrete Beträge.

Auf den verschiedensten Gebieten der Technik besteht vielfach die Notwendigkeit, Lichtstrahlen um bestimmte Winkel abzulenken oder um bestimmte Beträge parallel zu sich selbst zu verschieben. Diese Aufgaben konnten für relativ kleine Geschwindigkeiten auf mechanischem Wege, beispielsweise durch photographische Verschlüsse, Spiegel- und Prismenräder, ^;Schleifenoszillographen usw. gelöst werden. Für hohe Geschwindigkeiten konnte das Problem der Lichtmodulation durch Blitzlampen, Kerrzellen, elektrooptische Kristallverschlüsse oder dergleichen gelöst werden, während man für die Verschiebung eines Lichtstrahls den Umweg über Elektronenstrahlröhren wählen mußte. Dadurch werden derartige Anlagen kompliziert, teuer und störanfällig, da sie für viele Anwendungen aus einem elektronischen und einem optischen Teil bestehen. Ein weiterer schwerwiegender Nachteil derartiger Anlagen besteht ferner darin, daß nur kleinere bis mittlere Lichtintensitäten beherrscht werden können, da bei ihnen nicht das Licht einer beliebigen Lichtquelle moduliert ,

und abgelenkt, sondern ein Lichtpunkt wechselnder Intensität und Lage auf

909817/0654 COPY *'"

Neue Anmeldungsunterlqgen

15U016

einem Lichtschirm erzeugt wird. Es ist also mit den bisherigen Mitteln nicht möglich, den Lichtstrahl eines Lasers mit bei Elektronenstrahlen üblichen Geschwindigkeiten abzulenken, was für viele Anwendungsgebiete von größer Wichtigkeit wäre.

Es ist bereits eine Anordnung zur steuerbaren Ablenkung um eine Vielzahl von diskreten Beträgen vorgeschlagen worden, bei der unter Ausnutzung der an und für sich bekannten Weiterleitbarkeilt eines Lichtstrahls als ordentlicher oder als außerordentlicher Strahl durch Drehung seiner Polarisationsebene mehrere Elemente gruppen im Verlauf eines linear polarisierten Lichtstrahls angeordnet sind, die jeweils aus steuerbaren, die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls um 90 drehenden Elementen und aus doppelbrechenden Elementen bestehen. Die vorgeschlagene Anordnung verwendet als doppelbrechende Elemente Platten oder Quader mit bestimmten unterschiedlichen Stärken. Die mit dieser Anordnung erzielbaren Ablenkungen des Lichtstrahls sind von den Abmessungen der Platten abhängig und dadurch verhältnismäßig begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu offenbaren, die eine Auslenkung oder Parallelverschiebung eines Lichtstrahls um größere Abstände ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der abzulenkende polarisierte Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Lage seiner Polarisationsebene an einer oder mehreren Kristallflächen bei einer Lage der Polarisationsebene total reflektiert und in einer anderen Lage der Riarisa-

° tionsebene nahezu unbeeinträchtigt durchgelassen wird,

cd · "

-J' Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in besonders vorteilhafter Weise durch ο eine Anordnung zur steuerbaren elektrooptischen Ablenkung eines Lichtstrahls

cn um einen oder mehrere diskrete Beträge gelöst, die dadurch gekennzeich-

net ist, daß im Strahlengang eines polarisierten Lichtstrahls ein oder mehrere einzeln oder in beliebigen Kombinationen ansteuerbare Ablenkeihrich-

Neue Anmelwungsunterlafleo

15H016

tungen angeordnet sind, die aus je einer elektroopsichen Phasensteuereinrichtung und einem aus einem AblenkkriS tall, einem Korrekturkristall und einem reflektierenden Kristall bestehenden Ablenker zusammengesetzt sind, wobei die Kristalle die Form rechtwinkeliger Prismen aufweisen, die Ablenk- und Korrekturkristalle sich mit ihren Hypotenusenflächen gegenüberstehen und die reflektierenden Kristalle und die Ablenkkristalle sich mit ihren Kathetenflächen so berühren, daß der einfallende Lichtstrahl bei Totalreflexion an den Hypotenusenflächen der Ablenkkristalle und der reflektierenden Kristalle eine Parallelverschiebung erfährt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kathetenlänge der Prismen der Ablenker und die Längenabmessung der Phasensteuereinrichtungen der einzelnen Ablenkeinrichtungen vorzugsweise im Verhältnis 2 : 2 :2 : ... 2 abgestuft sind. .

Eine weitere vorteilhafte Ausbildungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel"der Hypotenusenfläche des Ablenkkristalls zur Einfalls richtung des Lichtstrahls im Bereich zwischen den kritischen

Winkeln {f für vertikal polarisiertes und horizontal polarisiertes Licht gec

wählt wird. '

Eine andere vorteilhafte Ausbildungsform des Erfindungsgedankens ist gekennzeichnet, durch im Strahlengang angeordnete mehrere Ablenkeinrichtungen mit Abmessungen vorzugsweise im Verhältnis 2 : 2 : 2 : ... 2 , durch eine Maskenscheibe und mehrere Ablenkeinrichtungen mit vorzugsweiseim gleichen Verhältnis stehenden Abmessungen und durch einen Anzeigeschirm. '

"^ Als besonders vorteilhaft hat sich ferner eine Anordnung erwiesen, die da-

° durch gekennzeichnet ist, daß den Ablenkeinrichtungen ein Kristall zur Körnen
tn pensation der unterschiedlichen Bahnlängen zugeordnet ist.

Die erfincLungs gemäße Anordnung besteht in vorteilhafter Weise aus doppel-

Neue Anme!dii!igsiiä?terlagen

Τ514016

brechenden Kristallen.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: die Einzelheiten eines Ablenkers,

Fig. 2: die Abhängigkeit der Reflexion des Lichtstrahls vom Ein

fallswinkel bei vertikaler Polarisation,

Fig. 3: die Abhängigkeit der Reflexion des Lichtstrahls vom Ein

fallswinkel bei horizontaler Polarisation,

Fig. 4: die Gesamtansicht einer elektrooptischen Ablenkeinrichtung,

Fig. 5: eine Abwandlung der Einrichtung nach Fig. 4,

Fig. 6: Darstellungen zur Erläuterung der verschiedenen optischen

Bahnlängen und

Fig. 7: die Darstellung einer Möglichkeit zur Kompensation der un

terschiedlichen Bahnlängen.

909817/06 5 Λ

Neue Anme'dis.igsusiisrlagen

15UQ16

•Fig. 1 zeigt eine Lichtablenkeinrichtung, durch die ein strahl linear polarisierten Lichtes in eine von zwei Bahnen gelenkt werden kann. Eine Lichtquelle 10 hoher Intensität erzeugt einen monochromatischen, gerichteten, vertikal oder horizontal ebenpolarisierten Lichtstrahl 12. 12s bestehen viele Möglichkeiten, einen solchen Lichtstrahl zu erzeugen, und es wird beispielsweise angenommen, daß·die Lichtquelle . 10 aus einem Laser in Verbindung mit einer Einrichtung zur linearen Polarisierung des Lichtstrahls entweder in der durch den Pfeil 14 angezeigten vertikalen Richtung (in der Ebene des Papiers) oder in der durch den Pfeil 16 dargestellten horizontalen Richtung (senkrecht zur Papierebene) besteht. Im Strahlengang des Lichtstrahls 12 ist ein doppelbrechender Kristall 18 angeordnet, der z.B. aus Natriumnitrat (NaNO,) bestehen kann. Der Kristall 18 ist in spezieller Weise so geschliffen, daß seine Oberfläche 20 zur optischen Achse 22 des Kristalls parallel liegt. Außerdem ist der Kristall 18 so orientiert, daß der Lichtstrahl 12 senkrecht In die Fläohe-20 eintritt. Der Lichtstrahl 12 tritt also, ob er vertikal oder horizontal polarisiert ist, in die Fläche 20 ein und erfährt keine Brechung. Die nächste vom Lichtstrahl 12 durchdrungene Fläche im Kristall 18 1st die Fläche 24, die so orientiert ist, daß der Einfallswinkel des Lichtstrahls 12 ausnahmslos zwischen den kritischen Winkeln für die beiden verschiedenen Polarisationen liegt.

Dies läßt sich anhand von Fig. 2 und 2 besser verstehen. Natriumnitrat ist ein einachsiger Kristall mit einem ordentlichen Brechungsindex 1,585 und einem außergrdent liehen Brechungsindex 1,3369 bei einer Wellenlänge von 5890 A. Bei der dargestellten Orientierung trifft also ein horizontal polarisierter Lichtstrahl auf einen Brechungsindex 1,505 und ein vetikal polarisierter Strahl auf einen Brechungsindex 1*3369. Fig. 2 zeigt die Brechung in Prozenten im Verhältnis zum Einfallswinkel für den vertikal polarisierten Strahl 14. Zur Begriffsbestimmung sei gesagt, daß der kritische Winkel für eine Grenzfläche, die zwei optische Medien trennt, der kleinste Einfallswinkel in dem

9098 1 7/06 54

Heue 'AnmeSdungsunt

I . ■ -

4614016

, Medium mit dem größeren Brechungsindex ist, bei dem das Licht total reflektiert wird. In diesem Falle ist, da der Brechungsindex für vertikal polarisiertes Licht im Kristall 18 gleich 1,3369 ist und da das andere Medium an der Grenzfläche Luft mit dem Brechungsindex 1 ist, der kritische Winkel abhängig von dem Breohungsindex des Kristalls 18. Der kritische Winkel 0_Q für einen solchen Breohungsindex wird durch den folgenden Ausdruck bestimmt:

0_O » Sin 0_Q - 1/rU-Vi.3369 (1) Sin 0 a 0,749

Eine Untersuchung von Fig. 2 zeigt also, daß der Lichtstrahl 12, wenn er vertikal polarisiert ist und auf die Fläche 24 mit einem Einfallswinkel auftrifft, der kleiner als 48,5° ist, mit nahezu unbeeinträchtigter Intensität durch die Fläche 24 durchtritt. Bei einem Einfallswinkel, der größer als 48,5° ist, wird ein solcher Strahl durch die Fläche 24 total reflektiert. .

In Fig. 3 ist die Reflexion im Verhältnis zum Einfallswinkel für einen in horizontaler Richtung 16 polarisierten Lichtstrahl dargestellt. Bei Verwendung der Gleichung (1) läßt sich bestimmen, daß der kritische Winkel für ein Natriumnitrat in einer Umgebung von horizontal polarisiertem Licht 39° beträgt. Bei einem Einfallswinkel, der kleiner als 39° ist, wird also nahezu das ganze vertikal polarisierte Licht durchgelassen, während bei einem Einfallswinkel, der größer als 39° ist, nahezu das ganze vertikal polarisierte Licht reflektiert Wird. Um also einen Kristall zu konstruieren, der wahlweise einen Lichtstrahl je nach seiner Polarisation durchläßt oder reflektiert, muß erreicht werden, daß der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf der Kristalloberfläche zwischen die kritischen Winkel für die beiden verschiedenen Polarisationen fällt.

909817/06 54

■■?■■/■ ■■■' *-

Urn einen solchen Kristall zu konstruieren, wird die Fläche 24 des Kristalls 1& unter einem Winkel von 42° orientiert, so daß sie das ganze in horizontaler Richtung 16 polarisierte .Licht vollständig reflektiert und das ganze in vertikaler Richtung 14 polarisierte Licht 14 durchlaßt. Das vertikal polarisierte Licht erführt zwar einen geringfügigen Verlust im Kristall 18 von etwa 2 '/,, aber dieser kann vernachlässigt werden. Die Orientierung der Oberfläche 24 braucht nicht ausdrücklich 42° zu betragen, sondern es'kann- jeder, beliebige Winkel verwendet werden, der "zwischen den beiden kritischen Winkeln liegt. Ebenso wird zwar Natriumnitrat als Kristall bevorzugt, aber es können auch andere einachsige Kristalle verwendet werden, die ähnliche Merkmale aufweisen, z.B. Kalzit.

Nachdem die lichtablenkende Wirkungsweise des Kristalls 18 nun beschrieben ist, seien die restlichen Teile der in Flg. 1 gezeigten Lichtablenkeinrichtung erläutert. Der Korrekturkristall 20 ist von dem Kristall 24 durch den Luftspalt 28 getrennt, dessen Grüße hier zur Veranschaulichung stark übertrieben gezeichnet ist. Der Korrekturkristall 26 wird einzig zu dem Zweck verwendet, den vertikal polarisierten Lichtstrahl in. bezug auf den "ursprünglichen Strahlengang· des Lichtstrahls 12 auszurichten. Wenn ein vertikal polarisierter Lichtstrahl die Oberfläche 24 verläßt und in den Luftspalt 2c eintritt, erfährt er eine geringe abwärtsgerichtete Brechung. Der i'üc-l-stall 26, der ein genaues Abbild des Kristalls 18 ist, versieht, αύ:·. Lichtstrahl mit einer korrigierenden Brechung und führt ihn auf r?inen ursprünglichen Strahlengang zurück. Der Kristall 26 braucht nicht aus Natriumnitrat zu bestehen, aber er muß einen Brechungsindex 1*3369 aufweisen, damit die erforderliche Strahlengangkorrektur ermöglicht wird (z.B. Natriuirifluorid).

Wie schon erwähnt, wird ein in horizontaler Richtung 16 polarisierter Lichtstrahl von .der Oberfläche 24 total,reflektiert, wobei der Reflexionswinkel gleich dem Einfallswinkel ist. Da der Kristall 18 ein

9098 17/06 54

ti ^i W «kvivV Wi at Lu t « V* w| ν/ L ι

15U016

42°-Prisrna ist, bedeutet das, daß das horizontal polarisierte Licht nach unten gerichtet wird. Um nun den abgelenkten Strahl in eine Bahn zurUckzulenken, die zum Strahlengang des vertikal polarisierten Lichtes parallel verläuft, aber sich mit ihm nicht deckt, i3t der Kristall 30 vorgesehen. Auch dieser Kristall kann ein 42°-Priama sein, und zwar entweder ebenfalls ein Natriumnitratkristall oder einfach ein 42°-Glasprisma. In jedem Fall erfolgt eine vollständige Reflexion, wenn der Lichtstrahl auf die Oberfläche j52 trifft, wodurch der horizontal polarisierte Lichtstrahl in seine ursprüngliche Orientierungsrichtung zurückgeführt wird.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß die in Fig. 1 gezeigte Lichtablenkelnrichtüng nahezu gar keine Wirkung auf einen vertikal linear polarisierten Lichtstrahl hat, dagegen einen horizontal linear polarisierten Lichtstrahl ablenkt und eine Verschiebung in dessen Ausbreitungsbahn bewirkt·

In Fig. 4 ist nun eine Lichtablenkeinrichtung dargestellt, die die anhand von Fig. 1 erläuterten Konzeptionen ausnutzt. Die Lichtquelle erzeugt einen gerichteten, monochromatischen, eben?-polarisierten Lichtstrahl 41 und lenkt ihn In Richtung des.Strahlenganges 42. Bei der Lichtquelle 40 kann es sich um einen Laser handeln oder auch um eine normale Lichtquelle, bei der eine Nadellochlinsentechnik zur Erlangung des benötigten Strahls verwendet wird. Zur Umwandlung des Lichtstrahls 41 in einen linear polarisierten Strahl mit Schwingungsrichtung in der Vertikalen, ist ein Polarisator 4j vorgesehen. Nach seiner vertikalen Polarisation wird der Lichtstrahl 41 auf die erste Stufe des Lichtablenkers gerichtet, die aus einer Phasensteuereinrichtung 44 und einer Ablenkeinrichtung 46 besteht. Bei der Phasensteuereinrichtung 44 handelt es sich um eine elektrooptische Vorrichtung in Form eines elektrooptischen Kristalls 47, z.B. aus Kaliumdihydrogenphosphat. Der elektrooptisohe Kristall 47 ist auf jeder Seite von zwei transparenten leitenden Elektroden 48 und 50 abgeschlossen. Die transparente Elektrode 50 liegt an Erde, und die

909817/0654 β» «*«»■

transparente Elektrode 48 ist über einen Schalter 52 an eine Quelle hoher positiver Spannung +V angeschlossen. Wenn der Schalter 52 offen gelassen wird,* hat die Phasensteuereinrichtung 44 keine Wirkung auf einen Lichtstrahl, aber wenn der Sehalter 52 geschlossen und dadurch die Spannung +V zwlsohen den transparenten Elektroden 48 und 50 angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld in dem elektrooptischen Kristall 47, das eine Drehung der Schwingungsrichtunfc; eines linear polarisierten Lichtstrahls um 90° bewirkt. Wenn z.B. Kaliumdihydrogenphoaphat für den elektrooptischen¹Kristall 4? verwendet wird, iat eine Spannung von etwa 7 700 Volt nötig, um den Drehungseffekt hervorzurufen.

Nach dem Austritt aus der Phasensteuereinrichtung 44 geht der Strahl 41 weiter zu der Ablenkeinrichtung 46. Diese gleicht der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Ablenkeinrichtung und besteht aus einem doppelbrechenden Kristall 54, einem Korrekturkristall 55 und einem reflektierenden Kristall 58. Je nach der Polarisationsrichtung des Lichtstrahls 41 wird dieser von der Ablenkeinrichtung 46 entweder reflektiert oder durchgelassen. Wenn der Lichtstrahl 41 vertikal polarisiert ist, lüuft er auf der ursprünglichen Bahn 42 weiter. Wenn er dagegen horizontal . polarisiert ist, wird er an de» Kristall-Luft-Grenzfläche in dem doppelbrechenden Kristall 54 entlang der Bahn 56 nach unten reflektiert. Wenn der reflektierte horizontal polarisierte Strahl in den Kristall 5b eintritt, wird er erneut reflektiert und entlang der Bahn 60 gerichtet, die parallel zur Bahn des Strahls 42 verläuft, aber lageniäßig ihr gegenüber verschoben ist. JSs ist Jeweils nur eine dieser optischen Bahnen aktiviert·

Nach dem Austritt aus der Ablenkeinrichtung 46 tritt der Strahl/in eine zweite Lichtablenkstufe ein, die aus der Phasensteuereinrichtung 62 und dem Ablenker 64 besteht. Der Ablenker 64 besteht aus dem doppelbrechenden Kristall 65, dem Korrekturkristall 67 und dem reflektierenden Kristall 68. Diese Stufe gleicht der vorhergehenden Lichtablenkstufe mit

909017/0654

Neue Anmeldungsunterlagen

·#· M^ ^{p 1}^ ¹⁴ 016.6-

1514018

,der Ausnahme, daß sie groß genug ist, um jeden der beiden Strahlen, ' die aus der vorhergehenden Stuft heraustreten können, aufnehmen zu können. Die Hochspannungequelle +V ist an die transparenten Elektroden der elektrooptischen Phasenateuereinriohtung 62 über den Schalter 66 angeschlossen. Ebenso wie es für die Phasensteuerelnriohtung 44 beaohrleben worden Iat, veranlaßt das Schließen des Schalters 66 die Phasenateuereinriohtung 62, die Sohwingungarichtung eines sie durchsetzenden linear polarisierten Strahls um 90° zu drehen. Wenn daher tin horizontal polarisierter Strahl über dit Bahn_v60 auf die Phasen* steuereinrichtung 62 trifft, wird seine Polarisationarichtune, um 90° zurück in die Vertikale gedreht, so daß er beim Eintritt in den Kristall 63 diesen als vertikal polarisierter Strahl durchsetzt und auf der Bahn 6Ό bleibt. Wenn dagegen der Schalter 66 offen bleibt, wird dtr horizontal polarisierte Strahl von der Phasensteuereinrichtung 62 nicht beeinflußt und intern im Kristall 65 naoh unten reflektiert. Wenn dtr horizontal polarisierte Strahl in den Kristall 6Ö eintritt, wird er wiederum reflektiert, aber diesmal auf die Bahn 70. In gleicher Weist würde auoh bei einem vertikal polarisierten Strahl auf Bahn42 die Schwingungsrichtung um 90° in einen horizontal polarisierten Zustand in dtr Phaaenateuereinrichtung 62 gedreht, falls der Schal· ttr 66 geschlossen wäre. Er würde dann durch den Kristall 65 naoh unten reflektiert und schließlich durch den Kristall 68 auf die Bahn 72 reflektiert.

Bisher hat sich dif Besprechung in erster Linie mit der Einrichtung zum Ablenken tints Lichtstrahls auf mehrere voneinander verschiedene Positionen btfaöfc. Anhand der redlichen Teile von Fig. 4 wird nachsteht»} tin Projektionssystem beschrieben, durch das bestimmte Zeichen auf dtn Schirm 100 projiziert werden; dabei handelt es sich um nur tint von vltltn brauchbaren Anwendungsmöglichkeiten für ein solches Abltnksy st tm. - .

ORIGINAL

7/

Änme"disngsunterlagen

j,

ΛΑ

■ 15U0T6

Zwischen den Ablenkeinrichtungen 64 und 75 ist die Maske 74 angeordnet «Sie kann entweder durchsichtig mit schwarzen Buchstaben oder undurchsichtig mit transparenten Buchstaben sein. In jedem Falle sind die Buchstaben oder Zahlen Jeweils so orientiert, daß sie auf einen der verschiedenen Strahlengänge des Lichtablenkers fallen. Es wird daher in Abhängigkeit von dem jeweils erregten Strahlengang einer der Buchstaben beleuchtet. Wenn angenommen wird, daß die Buchstaben durchsichtig und die Maske 74 undurchsichtig sind, wird der auffallende Lichtstrahl bei seiner weiteren Bewegung entlang seiner iSinfallsbahn in die Form des Buchstabens gebracht. Wenn angenommen wird, daß der Strahlengang 70 erregt wird (horizontal polarisiertes Licht), wird der Buchstabe D beleuchtet, und das Licht wird durch ihn geleitet. Dann folgt das Licht der Bahn 70, bis es in den Lichtablenker 75 gelangt, worin der Kristall 78 den Lichtstrahl naoh oben in den doppelbrechenden Kristall 80 reflektiert. An der Grenzfläche zwischen Kristall und Luft im Kristall 80 wird der nach oben gelenkte Lichtstrahl entlang der Bahn 60 in ähnlicher Weise reflektiert, wie es für den Kristall 54 beschrieben worden ist.

Der horizontal polarisierte Strahl auf Bahn 60 trifft nun auf die Phasensteuereinrichtung 82 und den Ablenker 84. In diesem Falle steuert der Schalter 86 das Anlegen von +V an die Phasensteuereinrichtung 82. Da gewünscht wird, den horizontal polarisierten Lichtstrahl, der Jetzt auf Bahn 60 liegt, auf die Bahn 42 zu lenken, damit er auf den Schirm 100 projiziert werden kann, ist es nicht nötig, seine Polarisationsrichtung zu drehen, da der Lichtstrahl im Ablenker 84 wieder zurück in seine ursprüngliche Bahn 42 reflektiert wird. Der Lichtstrahl auf Bahn 42 wird dann durch die Linse 86 auf dem durchscheinenden Schirm 100 abgebildet, wo er sichtbar wird.

JEs sei nun angenommen, daß der Buchstabe C auf den Schirm 100 projiziert werden soll und daß das aus der Lichtquelle 40 kommende Licht linear in vertikaler Richtung polarisiert ist. Der Lichtstrahl 41

6AD 9 0 9817/06 5Λ

P IS 14 016.6

15 U016

muß also nun von der Bahn 42 auf die Bahn 72 und dann wieder zurück zur Bahn 42 gerichtet werden, damit er auf dem Schirm 100 sichtbar wird. Um dies zu erreichen, wird der Schalter 52 offengelassen, während die Schalter 66 und 86 geschlossen werden. Da der Schalter 52 ,offen ist, durchsetzt der vertikal polarisierte Lichtstrahl 41 die Phasensteuereinrichtung 44 und.den Ablenker 46 ohne Veränderung. Wenn der Lichtstrahl 41 Jedoch die Phasensteuereinrichtung 62 erreicht, wird seine Polarisationsrichtung um 9O⁰ gedreht, weil der Schalter 66 geschlossen ist. Infolgedessen wird der Lichtstrahl 41 durch die internen Reflexionseigenschaften des doppelbrechenden Kristalls 65' nach unten reflektiert. Wenn der Lichtstrahl in den Kristall 68 eintritt, wird er entlang der Bahn 72 abgelenkt und durchdringt so den Buchstaben C in der Maske 74. Durch das Durchtreten des horizontal polarisierten Lichtstrahls durch die Maske Jk wird der Buchstabe C entlang der Bahn 72 projiziert. Wenn er danach in den Kristall 78 eintritt, wird er nach oben reflektiert, und infolge seiner horizontalen Polarisation wird er intern über die Bahn 42 zurückreflektiert durch den doppelbrechenden Kristall 80. Da der Lichtstrahl duroh den Ablenker 84 gelangen soll, wird seine Polarisationsrichtung um 90° in die Vertikale gedreht. Das geschieht in der Phasensteuereinrichtung 82, weil der Schalter 86 geschlossen ist. Der den Buchstaben C bildende Lichtstrahl wird daher vom Ablenker 84 durchgelassen und von der Linse 8b auf dem Schirm 100 abgebildet. Da die Wirkungsweise des Systems von Fig. 4 bezüglich der Projektion der Buchstaben A und B grundsätzlich der oben beschriebenen gleicht (wobei die einzigen Unterschiede in den Zuständen der Schalter 52, 66 und 86 liegen), wird sie hier nicht im einzelnen beschrieben. Weiterhin können, obwohl gemäß der vorliegenden Darstellung die Lichtablenker das Licht nur in der vertikalen Richtung ablenken, solche Ablenker auch zur Ablenkung des Lichtes in horizontaler Richtung benutzt werden, indem lediglich ein Lxchtablenker um 90° um seine horizontale Achse herum gedreht wird. Weiter können, obwohl hier nur vier vertikale Positionen gezeigt worden sind, weitere Ablenkstufen nachgeschaltet werden) um die Zahl der möglichen Ausgänge zu erhöhen. Im allgemeinen erhält man bei η Stufen 2ⁿ Ausgänge.

909817/0654

BAD ORIGINAL

'Die Größe der Kristalle 65, 67 und 68 im Ablenker 64 kann um den Faktor zwei verkleinert werden, indem die in Fig. 5 gezeigte Anordnung verwendet wird. Anstatt alle eintretenden Strahlen in einer Richtung abzulenken, wie es in dem Ablenker 64 von Pig. 4 geschieht, lenkt der Ablenker von Fig. 5 einen Satz von Strahlen nach oben und einen anderen nach unten ab. Das geschieht, indem zwei Ablenker 110 und 112, die dieselbe Größe wie der Ablenker 46 in Fig. 4 haben, mit einander zugewandten Rückseiten angeordnet werden. Die Ablenker 110 und 112 arbeiten in derselben Welse wie der Ablenker 46 von Fig. 1. Jeder lenkt jeweils einen horizontal polarisierten Lichtstrahl ab und läßt einen vertikal plarisierten Lichtstrahl durch. Diese Anordnung verwendet zwar doppelt sovleIe Prismen wie die von Fig. 4, aber die Prismen sind billiger und leichter zu beschaffen, weil sie kleiner sind. Außerdem gibt es eine Grenze für die Größe der verfügbaren Prismen, durch die die schließlichen Abmessungen der fertigen Ablenkstufe in unerwünschter Weise eingeschränkt werden. Diese Schwierigkeit wird durch die vorliegende Konfiguration beseitigt.

In einem Lichtablenker gemäß Fig. 4 kann Insofern eine Schwierigkeit auftreten, als die optischen Bahnlängen bei den verschiedenen Buchstaben in der Maske 74 und der Linse 88 verschieden sein können. Dadurch kann es geschehen, daß einige der Buchstaben (insbesondere diejenigen, die mehrere Male abgelenkt werden) bei Projektion auf öen Schirm 100 unscharf werden. Bekanntlich 1st die optische Bahnlänge durch ein beliebiges Medium hindurch das Produkt von dessen Brechungsindex multipliziert mit der Bahnlänge eines das Medium durchsetzenden Lichtstrahls. Wie schon erwähnt, ist der Brechungsindex davon abhängig, ob das ebenpolarisierte Licht in Form ordentlicher oder außerordentlicher Strahlen weiterläuft. Wenn daher die optische Achse in einem Natriumnitratkristall horizontal orientiert ist, pflanzt sich ein vertikal ebenpolarisierter Lichtstrahl durch das Medium mit einem Brechungsindex 1,^5369 fort. Wenn dagegen die optische Achse vertikal orientiert ist, breitet sich vertikal ebenpolarisiertes Lioht im Kristall mit einem Brechungsindex 1,585 aus. Da eier

909817/06 54 BAD ORIGINAL

ί. : ι

15U016 ■;

, Brechungsindex sich entsprechend der Kristallorientierune. verändert, kann die optische Bahnlänge, auf die die jeweiligen Polarisationen treffen, dadurch verändert werden, daß der Lichtstrahl veranlaßt wird, sich durch einen zusätzlichen vororientierten Kristall als ordentlicher oder außerordentlicher Strahl fortzupflanzen. Diese Konzeption wird anhand von Fig. 6 und 7 leichter verständlich.

Gemäß Fig. 6 hat ein Natriumnitrat-Lichtablenker mit einer Breite y eine optische Bahnlänge 1,5369 (y) für vertikal polarisiertes Licht, aber eine optische Bahnlänge 1,585 (2y) für horizontal polarisiertes Licht. Da letzten Kndes beide Sohwingungsrlohtungen von linear polarisiertem Licht dieselbe optische Bahnlänge erhalten sollen, muß der vertikal polarisierte Lichtstrahl um einen bestimmten Faktor verzögert werden, damit seine optische Bahnlänge, gleich der des horizontal polarisierten Lichtstrahls wird. Dies wird in Fig. 7 dadurch erreicht, daß ein weiterer doppelbrechender Kristall 102 In den Strahlengang eingesetzt wird. Der doppelbrechende Kristall 102 ist so orientiert, daß seine optische Achse gegenüber der Orientierung der optischen Achse des Ablenkers 104 um 90° gedreht ist. Vertikal ebenpolarisiertes Licht, das in den doppelbrechenden Kristall 102 eintritt, erhält also eine optische Bahnlänge 1,585 (x), während ein horizontal ebenpolarisierter Lichtstrahl auf eine optische Bahnlänge 1,^09 (x) trifft. Wenn dagegen das vertikal polarisierte Licht sich durch den Ablenker 104 hindurch ausbreitet, trifft es auf eine optische Bahnlänge 1,3369 (y) infolge des Unterschiedes in der Orientierung der optischen Achse. In gleicher Weise trifft ein horizontal ebenpolarisierter Lichtstrahl, der durch den Ablenker 104 wandert, auf eine optische Bahnlänge 1,585 (2y). Indem nun die optischen Bahnlängen für das horizontal und das vertikal ebenpolarisierte Licht einander gleich gesetzt werden, kann die Länge χ des Kristalls 102 in Beziehung zur Länge y des Ablenkers 104 bestimmt werden. Auf diese Weise können die optischen Bahnlängen für beide Liohtpolarlsationen einander gleich gemacht werden. Für das hier betrachtete Beispiel, d.h. Natriumnitrat, lauten die Gleichungen wie folgts .

9ÖI8 17 /06 5 4 bad

p 15 14 Gl6. 6

15H016

0,25x - 1.85 y
x - 7,32 y

Man sieht also, daß die Länge χ des Kristalls 102 7,22 mal su groß. sein muß wie die Abmessung y Im Ablenker 104, damit die optischen Bahnläncen gleich werden.

Im Falle eines doppelbrechenden Kristalls kann die Lage der Eintrittsebene und die Richtung der Kristallachsen in bezug auf die Richtung des einfallenden Lichtstrahls so gewählt werden, daß bei der Drehung der Polarisationsebene um 90°die Richtung des ordentlichen von der Richtung des außerordentlichen Strahls möglichst stark abweicht, so .daß sich zusätzlich zu den oben angegebenen, die Totelreflexlon beeinflussenden üffekte auch eine Änderung des geometrischen Auftreffwinkels des im Kristall verlaufenden Strahls auf die reflektierende (totalreflektierende) Fläche ergibt. Auf diese Weise ergeben sich zwei unabhängig voneinander wirkende Effekte, die sich gegenseitig unterstützen'und den Wirkungsgrad der Gesamtanordnung verbessern.

909817/0654

Claims

Neue Aiu:x.aü:igsunterlagen

Böblingen, 9. 9. I968 ar pr-hn

15U016

PATENTANSPRÜCHE

Anordnung zur steuerbaren elektrooptischen Ablenkung eines Lichtstrahls um einen oder mehrere diskrete Beträge, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang eines polarisierten Lichtstrahls eine oder mehrere einzeln oder in beliebigen Kombinationen ansteuerbare Ablenkeinrichtungen angeordnet sind, die aus je einer elektrooptischen Phasensteuereinrichtung (47, 62) und einem aus einem Ablenkkristall (54, 65), einem Korrekturkristall (55, 67) und einem reflektierenden Kristall (48, 68) bestehenden Ablenker (46, 64) zusammengesetzt sind, wobei die Kristalle die Form rechtwinkeliger Prismen aufweisen, die Ablenk- und Korrekturkristalle (54, 65, 55, 67) sich in ihren Hypotenusenflächen gegenüberstehen und. die reflektierenden Kristalle (58, 68) und die Ablenkkristalle (54, 65) sich mit ihren Kathetenflächen so berühren, daß der einfallende Lichtstrahl bei Totalreflexion an den Hypotenusenflächen der Ablenkkristalle und der reflektierenden Kristalle eine Parallelverschiebung erfährt.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathetenlänge der Prismen der Ablenkkristalle (46, 64) und die Längenabmessung der Phasensteuereinrichtungen ( 47, 62) der einzelnen Ablenkeinrichtungen (44 + 46, 62 + 64) vorzugsweise im Verhältnis 2 : 2 : 2 : ... 2 abge stuft sind.

Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

9 0 9 β 1 7 / 0 6 5 Λ

Neue Anm&!uungstfflterlqg.eir

151AO16

daß der Winkel der Hypotenusenfläche (24) des Ablenkkristalls (54, 65) zur Einfalls richtung des Lichtstrahls im Bereich zwischen den kritischen Winkeln $ für vertikal polarisiertes und horizontal polarisiertes Licht gewählt ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet

durch im Strahlengang angeordnete mehrere Ablenkeinrichtungen (44+46, 62 + 64) mit Abmessungen vorzugsweise im Verhältnis 2 : 2 ; 2 : ... 2 , eine Maskenscheibe 74 und mehrere Ablenke inrichtungen (75 + 82, 84) mit Abmessungen vorzugsweise im Verhältnis 2 ... : 2 : 2 : 2 und einen Anzeige schirm (100).

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Ablenkeinrichtungen ein Kristall (102) zur Kompensation der unterschiedlichen Bahnlängen zugeordnet ist.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle doppelbrechend sind.

909 8 17/06 5 4