DE1547344B2

DE1547344B2 - Elektro-optische abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE1547344B2
Application number: DE19661547344
Authority: DE
Inventors: William Vick Chappaqua N.Y. Smith (V.StA.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-03-08
Filing date: 1966-03-05
Publication date: 1972-05-18
Also published as: GB1060954A; US3439975A; DE1547344C3; DE1547344A1

Description

punkte, M die Anzahl der Reflexionen des Lichtstrahls daß sie durch 001-, 110- und —HO-Ebenen begrenzt zwischen den Spiegeln, Δ η die Änderung des Bre- werden, dann werden die Elektroden an den 001-chungsindexes einer elektrooptischen Ablenkungs- Flächen angebracht. Daraufhin wird je ein Würfel vorrichtung, L die Entfernung zwischen zwei Spiegel- längs einer Diagonalen in der HO-Ebene und der flächen und λ die Wellenlänge des Lichts. 5 andere längs einer Diagonalen in der —HO-Ebene

durchgesägt. Werden die sich so ergebenden Prismen

2 R- ^ NL ^A ^^{es emen} Würfels jeweils mit einem anderen Prisma

4_π ' des anderen Würfels mit den Schnittflächen anein-

andergekittet, dann ergeben sich elektrooptische Hierin ist R der halbe Durchmesser eines Spiegels. io Doppelprismen, wie in der Darstellung nach F i g. 5

gezeigt.

yy _ j^_ Hieraus läßt sich ersehen, daß sich längs der Rich-

/ ' tung 110 im unteren Prisma ausbreitendes Licht, das

in der Ebene —HO polarisiert ist, sich im oberen

Hierin ist / die Gesamtlänge, gemessen im Strahlen- 15 Prisma längs der —HO-Richtung ausbreitet, wobei es gang, der beiden elektrooptischen Ablenkungsvor- dann in der HO-Ebene polarisiert ist. Für einen entrichtungen. sprechenden Lichtstrahl ist eine Änderung des Bre-

Eine besonders vorteilhafte elektrooptische Ab- chungsindexes 2Δ η an der Diagonalfläche b wirksam, lenkungsvorrichtung zur Verwendung in der Abtast- so daß der Lichtstrahl in der Vertikalebene abgelenkt vorrichtung gemäß der Erfindung besteht aus einem 20 wird. Eine Umkehrung in der Richtung des elektri-Doppelprisma aus Zinksulfid- oder Kupferchlorid- sehen Feldes E führt eine entsprechende Umkehrung kristall, dessen Ein- und Austrittsflächen senkrecht in der Änderung des Brechungsindexes 2Δη und damit zum Strahlengang und dessen Elektroden parallel auch in der Ablenkungsrichtung herbei. Der Einfachzum Strahlengang an den 001-Flächen liegen, wobei heit halber sind die optischen Ablenkungseinrichtungen die diagonalliegende Schnittfläche des einen Kristalls 25 als würfelförmig angenommen worden. Eine gleiche des Doppelkristalls als Projektion eine Diagonale in Herstellungsweise gestattet aber auch Ablenkungsder HO-Ebene und die diagonalliegende Schnittfläche einrichtungen bereitzustellen, die zwar quadratischen des anderen Kristalls des Doppelkristalls als Projek- Querschnitt in der Ebene senkrecht zur Lichtausbreition eine Diagonale in der —HO-Ebene bildet. Hierbei tung besitzen, aber jeweils eine davon verschiedene sind dann die Schnittflächen beider Kristalle aneinan- 30 Abmessung//2 (Fig. 1) längs des Strahlenwegs des dergekittet. Ein solcher Kristall kann entweder würfel- Lichtes aufweisen. Es versteht sich von selbst, daß förmig oder quaderförmig sein. ohne weiteres auch andere lineare elektrooptische

Der Erfindungsgegenstand wird an Hand eines Aus- Kristalle als Ablenkungseinrichtungen Verwendung führungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. finden können, bei denen unterschiedliche Orientie-Es zeigt 35 rungen der Kristallachsen in bezug auf das polarisierte

F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfin- Licht ausgenutzt werden, daß sich längs der optischen dungsgemäßen Anordnung, Achse 3 (Fig. 1) ausbreitet, ohne daß hierdurch

F i g. 2 Hauptstrahlengänge bei Ablenkung des vom Wesen der Erfindung abgerückt wird. Zu beiden Eintrittslichtstrahls. Seiten der elektrooptischen Ablenkungseinrichtungen6

F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Erläute- 40 und 8 ist jeweils ein Linsensystem 10 und 12 angeordrung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen An- net. Das Linsensystem 10 dient dabei als Kollimator Ordnung, für das durch die Öffnung 1 eintretende Licht, das

F i g. 4 die graphische Darstellung eines Ablen- nach Durchgang durch den Kollimator 10 und die kungsschemas der erfindungsgemäßen Anordnung, elektrooptischen Ablenkungseinrichtungen 6 und 8 auf

F i g. 5 die Darstellung eines elektrooptischen 45 das Linsensystem 12 fällt, das zur Fokussierung dient, Kristalls. um das Licht auf der Oberfläche des Spiegels 4 zu

Wie aus der Darstellung nach F i g. 1 zu entnehmen fokussieren. Die Wirkung der Linsensysteme 10 und ist, wird ein optisches System durch zwei konkave 12 wird umgekehrt, wenn sich das Licht vom Spiegel 4 Spiegel 2 und 4 mit einer gemeinsamen optischen in Richtung auf die elektrooptischen Ablenkungs-Achse 3 gebildet, in welchen Lichtstrahlen durch die 50 vorrichtungen 6 und 8 ausbreitet. Die effektive Öff-Öffnung 1 im Spiegel 2 eintreten können. Symmetrisch nung der Spiegel 2 und 4 beträgt 2 R, wobei R dem zum Mittelpunkt c der optischen Achse 3 sind zwei halben Durchmesser eines Spiegels entspricht. Der optische Ablenkungseinrichtungen 6 und 8 angeordnet, Abstand beider Spiegel voneinander entspricht der deren Ablenkungsebenen um 90° zueinander versetzt Länge L. Die elektrooptischen Ablenkungseinrichtunsind. Diese optischen Ablenkungseinrichtungen be- 55 gen 6 und 8 besitzen in Richtung des Strahlenweges stehen aus einem Kristall 9, der z. B. aus Zinksulfid eine Gesamtlänge /, und die jeweilige Öffnung der (ZnS) oder Kupferchlorid (CüCl) quadratischen Quer- Linsensysteme 10 und 12 beträgt 2 r, wcrin r im weschnitts gebildet sein kann. Diese Kristalle haben die sentlichen gleich oder nur etwas geringer sein kann Eigenschaft, daß ein längs einer kubischen Kristall- als der Wert R. Eine Wechselspannungsquelle 7 ist achse, z. B. 001, angelegtes elektrisches Feld E eine 60 mit den Elektroden 11 und 13 der elektrooptischen Änderung Δ η des Brechungsindexes für Licht her- Ablenkungsvorrichtung 8 verbünden. Eine gleiche, beiführt, das sich längs der 110-Richtuhg im Kristall aber hier nicht gezeigte Wechselspannungsquelle liegt ausbreitet, aber das in der —HO-Ebene polarisiert ist. an der Elektrode 11' und einer weiteren Elektrode der Das gleiche elektrische Feld E führt eine entgegen- elektrooptischen Ablenkungsvorrichtung 6.
gesetzte Änderung des Brechungsindexes — Δη für 65 Die Abtastungsvorrichtung gemäß der Erfindung Licht herbei, das sich in der —110-Richtung des arbeitet in folgender Weise. Die an die elektroopti-Kristalls ausbreitet aber in der HO-Ebene polarisiert sehen Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8 angelegten ist Wenn zwei solcher Kristalle so eingerichtet sind, Wechselspannungen sind in der graphischen Darstel-

lung nach F i g. 3 aufgezeichnet. Die mit Vb gekennzeichnete Kurve stellt die Wechselspannung an den Elektroden der Ablenkungsvorrichtung 6 dar. Wenn keine anderen Potentiale wirksam sind, würde sich unter dem Einfluß der an der elektrooptischen Ablenkungsvornchtung 6 anliegenden Sinusspannung Vb eine Winkelablesung des kontinuierlichen Lichtstrahls ergeben, der in das optische System durch das Loch 1 im Spiegel 2 eintritt. Eine solche Winkelablesung hätte nach aufeinanderfolgenden Durchgängen der hin- und herreflektierten Lichtstrahlen durch die elektrooptische Ablenkungsvorrichtung 6 zur Folge, daß der ursprünglich längs der optischen Achse 3 eingetretene Lichtstrahl jeweils um den gleichen Betrag mehr und mehr abgelenkt würde, bis schließlich der Lichtstrahl nicht mehr von einem der Spiegel 2 oder 4 erfaßt würde. Wie sich aus F i g. 4 ergibt, stellt der Punkt F den Auftreffpunkt des modulierten Lichts dar, wenn nur die elektrooptische Ablenkungsvorrichtung 6 aus dem durch das Loch 1 des Spiegels 2 eintretenden Licht-Strahls wirksam ist.

Die zweite elektrooptische Ablenkungsvorrichtung 8 steht unter dem Einfluß einer zweiten Sinusspannung Vc, wie in F i g. 3 als gestrichelte Kurve dargestellt. Die Sinusspannung Vc ist um 90° gegenüber der Sinusspannung V_B in der Phase verschoben. Die elektrooptische Ablenkungsvorrichtung 8 hat eine Ablenkung des durch sie gelangenden Lichtstrahls zur Folge, deren Richtung orthogonal zur Ablenkungsrichtung der elektrooptischen Ablenkungsvorrichtung 6 ist. Die Wirkung der elektrooptischen Ablenkungsvorrichtung 8 unter dem Einfluß der Modulationsspannung Vc, die an ihre Elektroden 11 und 13 angelegt wird, ist also derart, daß der Lichtstrahl in einer Ebene abgelenkt wird, die senkrecht zur Zeichnungsebene liegt. Die sich durch die elektrooptische Ablenkungsvorrichtung 8 allein ergebende Ablenkung würde einen durch sie gelangenden Lichtstrahl in aufeinanderfolgenden Ablenkungsbeträgen schließlich in die Lage des Punktes G (F i g. 4) bringen, der ebenso wie der Punkt F außerhalb des Randes einer der Spiegel 2 oder 4 liegt. Sind nun beide elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8 wirksam, d. h., beide Wechselspannungen V_B und Vc liegen an, dann ergibt sich unter dem Einfluß der jeweiligen Momentanwerte der beiden Sinusspannungen eine entsprechende Lage des auf den Spiegel 2 oder 4 eintreffenden Lichtstrahls, die ja nicht unbedingt mit Punkten auf einer in F i g. 4 gezeigten Achsen identisch sein muß. So ergibt sich z. B. zum Zeitpunkt Z₁ (F i g. 3) unter Einwirkung der Spannungen FV und Vc ein Ablenkungswinkel von 45°, gemessen vom unteren Teil der senkrechten Achse (Fig. 4), und zu einem Zeitpunkt, der in der Mitte zwischen dem O-Durchgang der Kurve Vc und dem Zeitpunkt Z₁ liegt, ein Ablenkungswinkel von 22,5°. Die konzentrischen Kreise in F i g. 4 stellen geometrische Orte für einen jeweiligen Ablenkungsbetrag dar. Während des Abtastvorgangs wird also der Ablenkungsbetrag schrittweise vergrößert, so daß jeweils ein Kreis mit größerem Radius wirksam wird, bis der Lichtstrahl außerhalb des Randes des Spiegels 2 oder 4 fällt. Der gestrichelt gezeichnete Kreis in F i g. 4 deutet die Grenze der effektiven öffnung der Spiegel an. Der Durchmesser dieses gestrichelt gezeichneten Kreises beträgt demnach 2 R.

Im oben beschriebenen Beispiel besitzen die Wechselspannungen Vb und Vc (F i g. 3) bei gleicher Frequenz jeweils die gleiche Maximalamplitude, während ihre Phasenlage um 90° zueinander verschoben ist. Auf diese Weise ergibt sich schließlich ein Lichtkreis am Rand eines der beiden Spiegel 2 oder 4. Durch Änderung der Amplituden und/oder Phasenlagen der Wechselspannungen Vb und Vc ergibt sich in an sich bekannter Weise eine Ellipse oder andere Ablenkungsfigur. Wird das Auflösungsvermögen der Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung in bezug auf die sich auf einem der Spiegel ergebsnden Lichtpunkte berechnet, dann gelangt man zu der Beziehung N = 2 π (R/L d Θ), worin TV die Anzahl _der auflösbaren diskreten Punkte, IR die effektive Öffnung der konfokal angeordneten konkaven Spiegel, L den Abstand zwischen den Spiegeln 2 und 4 und dQ die Winkelablenkung eines Lichtstrahls von der optischen Achse 3 darstellt. Da der Betrag dQ in erster Näherung gleich /1/2 R ist, ergibt sich für N angenähert 4 π R²/L. Wird angenommen, daß die elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8 einen Brechungsindex Δ η besitzen, dann ergibt sich für die Winkelablenkung Δ Θ bei einem Durchgang des Lichtstrahls durch die elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8: Δ nljR, worin / die Länge der Wegstrecke ist, die der Lichtstrahl durch die elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8 zurücklegt.

Die Werte der Abmessungen / und R müssen in Einklang mit dem angestrebten Auflösungsvermögen, nämlich der Anzahl der mit dem Abtastsystem zu erhaltenden auflösbaren Punkte gewählt werden. Eine betriebsfähige Abtastvorrichtung ist mit folgenden Parametern zu erhalten: Bei einer Anzahl der Reflexionen M = 50, bevor der Rand der Spiegel erreicht wird, einer Änderung des Brechungsindex eines Kristalls der elektrooptischen Ablenkungsvorrichtung für durchgehende Lichtstrahlen von Δ η = 2 · 10~⁴, einer Wellenlänge des benutzten Lichts von λ = 5000 Ä und einem Spiegelabstand von L = 100 cm beträgt die Anzahl der auflösbaren Punkte N = 500. Dabei wird ein / = 0,2 cm und R = 0,45 cm benutzt. Wie sich herausgestellt hat, kann man den Berechnungen der Parameter die Beziehungen i?² = ΜΔηΙΣ, und N² = 4 π R¹IlX zugrunde legen.

Die obengenannten Werte der Parameter sind nur als Beispiel angegeben, d. h., die Erfindung soll auf ein solches Ausführungsbeispiel nicht beschränkt sein. Kleinere Abweichungen ergeben sich, wenn unterschiedliche Lichtwellenlängen benutzt werden und wenn die elektrooptischen Ablenkvorrichtungen 6 und 8 aus Kristallen bestehen, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Die Frequenz / der an die elektrooptischen. Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8 angelegten Wechselspannungen ist dabei so gewählt, daß die Beziehung gilt: T = 2 · L/c, worin c die Lichtgeschwindigkeit darstellt. Der Wert T bestimmt dabei die Zeitpunkte, zu denen jeweils an den elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8 eine Phasenumkehr der angelegten Wechselspannungen stattfindet, so daß ein Lichtstrahl, der von einem der Spiegel 2 oder 4 reflektiert worden ist, entsprechend abgelenkt werden kann. Da L = 100 cm, ergibt sich für T:

T = (2 · 100 cm) / (3 · 10¹⁰ cm/sec) = (2 ■ 10~⁸/3) sec.

Mit / = l/T ergibt sich für das oben beschriebene Beispiel:

(3· 10⁸/2) Hz = 150 MHz.

Eine elektrooptische Abtastvorrichtung dieser Art

in Verbindung mit einem optischen System gemäß der Erfindung ergibt demnach eine Hochgeschwindigkeits-Abtastvorrichtung mit geringen Streuverlusten. Darüber hinaus gestattet die Ausnutzung wiederholter Reflexionen in diesem optischen System größere Ab-

Ienkungswinkel für eine gegebene effektive Öffnung der verwendeten elektrooptischen Vorrichtung zu erhalten, indem gleichzeitig die Gesamtabmessung der optischen Abtastvorrichtung entsprechend herabgesetzt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 für die jetzt verwendeten hohen Geschwindigkeiten bei Patentansprüche: der Datenverarbeitung wenig geeignet sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin,

1. Elektrooptische Abtastvorrichtung für Licht- eine Hochgeschwindigkeits-Abtastvorrichtung für strahlen, deren Ablenkbewegung in geschlossenen 5 Lichtstrahlen zu schaffen, bei der keine elektro-Umlaufbahnen, insbesondere in konzentrischen mechanischen Vorrichtungen angewendet werden. Kreisbahnen, geführt wird, dadurch gekenn- Gleichzeitig soll das Auflösungsvermögen einer solchen zeichnet, daß zwischen zwei konkaven Spie- Abtastvorrichtung relativ groß sein.

geln (2, 4) mit zusammenfallenden Krümmungs- Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch mittelpunkten und optischen Achsen, so daß ein io gelöst, daß zwischen zwei konkaven Spiegeln mit zudurch eine Öffnung (1) in einen Spiegel (2) ein- sammenfallenden Krümmungsmittelpunkten und optifallendes Lichtbündel zwischen den Spiegeln (2, 4) sehen Achsen, so daß ein durch eine Öffnung in einen hin- und herreflektiert wird, eine erste elektro- Spiegel einfallendes Lichtbündel zwischen den Spieoptische Ablenkvorrichtung (6) angeordnet ist, die geln hin- und herreflektiert wird, eine erste elektrodas Lichtbündel in Abhängigkeit von der angeleg- 15 optische Ablenkungsvorrichtung angeordnet ist, die ten elektrischen Spannung in einer ersten Ebene das Lichtbündel in Abhängigkeit von der angelegten ablenkt, während eine ebenfalls zwischen den elektrischen Spannung in einer ersten Ebene ablenkt, Spiegeln (2, 4) angeordnete zweite elektrooptische während eine ebenfalls zwischen den Spiegeln ange-Ablenkungsvorrichtung (8) in Abhängigkeit von ordnete zweite elektrooptische Ablenkungsvorrichtung der an ihr angelegten elektrischen Spannung das 20 in Abhängigkeit von der an ihr angelegten elektrischen Lichtbündel in einer zweiten zur ersten Ebene Spannung das Lichtbündel in einer zweiten zur ersten senkrecht liegenden Ebene ablenkt. Ebene senkrecht liegenden Ebene ablenkt.

2. Elektrooptische Abtastvorrichtung nach An- Eine scharfe Bündelung der hin- und herreflektierten spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Lichtstrahlen läßt sich erzielen, wenn die elektrobeiden elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen 25 optischen Ablenkungsvorrichtungen zu beiden Seiten (6, 8) je eine Wechselspannung (Vb, Vc) unter- im Strahlengang je ein Linsensystem aufweisen, das schiedlicher Phasenlage, insbesondere solche, deren gestattet, einerseits den Lichtstrahl auf den entspre-Phasenlage um 90° gegeneinander verschoben ist, chenden Spiegel zu fokussieren und andererseits den anliegt. Lichtstrahl parallel zur optischen Achse des Systems

3. Elektrooptische Abtastvorrichtung nach An- 30 auf die elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet; daß als einfallen zu lassen. Eine weitere Möglichkeit besteht elektrooptische Ablenkungsvorrichtung (6, 8) je darin, einen scharf gebündelten Lichtstrahl durch ein Doppelprisma (Fig. 5), bestehend aus Zink- einen der konkaven Spiegel, der semitransparent gesulfid- oder Kupferchloridkristall, verwendet wird, staltet sein oder ein entsprechendes Loch aufweisen dessen Ein- und Austrittsflächen senkrecht zum 35 kann, in das System eintreten zu lassen. Ein solcher Strahlengang (3) und dessen Elektroden (11, 13) scharf gebündelter Strahl kann z. B. ein Laserstrahl parallel zum Strahlengang (3) an den 001-Flächen sein. Als elektrooptische Ablenkungsvorrichtungen liegen, wobei die diagonalliegende Schnittfläche des können beispielsweise entsprechend gestaltete Kerreinen Kristalls des Doppelkristalls als Projektion zellen dienen.

. eine Diagonale (b) in der HO-Ebene und die 40 Um eine kontinuierliche automatisch die ganze Ab-

diagonalliegende Schnittfläche des anderen Kri- tastfläche erfassende Abtastung zu erreichen, wird

Stalls des Doppelkristalls als Projektion eine Diago- gemäß eines weiteren Erfindungsgedankens an die

nale (b) in der —HO-Ebene bildet und daß die beiden elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen je

Schnittflächen beider Kristalle aneinandergekittet eine Wechselspannung unterschiedlicher Phasenlage,

sind. 45 insbesondere solche, deren Phasenlagen um 90° gegeneinander verschoben sind, angelegt. Zweckmäßiger-

weise ist dabei die Frequenz dieser Wechselspannungen, die für beide elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen gleich gewählt wird, so bemessen, daß sie dem 50 Quotienten aus der Lichtgeschwindigkeit und der

Die Erfindung betrifft eine elektrooptische Abtast- doppelten Entfernung der beiden Spiegelflächen zu-

vorrichtung für Lichtstrahlen, deren Ablenkbewegung einander entspricht. Auf diese Weise wird erreicht,

in geschlossenen Umlaufbahnen, insbesondere in kon- daß jeweils zum richtigen Zeitpunkt der Lichtstrahl

zentrischen Kreisbahnen, geführt wird. in bezug auf die optische Achse weiter abgelenkt wird,

Abtastvorrichtungen dieser Art können bei digitaler 55 bevor der Lichtstrahl auf den jeweiligen änderen

Datenverarbeitung, insbesondere bei der Lichtlogik, Spiegel auftrifft. Die Reflexionen und Ablenkungen

und bei Nachnchtenübertragungssystemen Verwendung von der optischen Achse werden so lange fortgesetzt,

finden. Bisher verwendete Lichtabtastvorrichtungen bis der Lichtstrahl den äußeren Rand eines Spiegels

besitzen aber den Nachteil, daß relativ aufwendige erreicht hat.

Prismen und Spiegelvorrichtungen und im Zusammen- 60 Besonders günstige Abmessungen für eine elektrohang damit elektromechanische Einrichtungen benö- optische Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung ertigt werden, um die angestrebte Wirkung herbeizufüh- geben sich aus den nachstehend aufgeführten Gleiren. Abgesehen davon, daß der Herstellungsaufwand chungen:
für die hierbei benötigten genau geschliffenen Prismen ^
relativ groß ist, wird auch durch die Verwendung 65 I. N² & 4π Μ Δ η—.
elektromechanischer Vorrichtungen zum Herbeiführen ^
der Ablenkbewegung die Abtastgeschwindigkeit begrenzt, so daß diese bekannten Abtastvorrichtungen Hierin ist TV die Anzahl der auflösbaren Abtast-