DE1547344C3

DE1547344C3 - Elektro-optische Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE1547344C3
Application number: DE1547344A
Authority: DE
Inventors: William Vick Chappaqua N.Y. Smith (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-03-08
Filing date: 1966-03-05
Publication date: 1973-01-04
Also published as: GB1060954A; US3439975A; DE1547344A1; DE1547344B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektrooptische Abtastvorrichtung für Lichtstrahlen, deren Ablenkbewegung in geschlossenen Umlaufbahnen, insbesondere in konzentrischen Kreisbahnen, geführt wird.

Abtastvorrichtungen dieser Art können bei digitaler Datenverarbeitung, insbesondere bei der Lichtlogik, und bei Nachrichtenübertragungssystemen Verwendung finden. Bisher verwendete Lichtabtastvorrichtungen besitzen aber den Nachteil, daß relativ aufwendige Prismen und Spiegelvorrichtungen und im Zusammenhang damit elektromechanische Einrichtungen benötigt werden, um die angestrebte Wirkung herbeizuführen. Abgesehen davon, daß der Herstellungsaufwand für die hierbei benötigten genau geschliffenen Prismen relativ groß ist, wird auch durch die Verwendung elektromechanischer Vorrichtungen zum Herbeiführen der Ablenkbewegung die Abtastgeschwindigkeit begrenzt, so daß diese bekannten Abtastvorrichtungen für die jetzt verwendeten hohen Geschwindigkeiten bei der Datenverarbeitung wenig geeignet sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Hochgeschwindigkeits-Abtastvorrichtung für Lichtstrahlen zu schaffen, bei der keine elektromechanischen -Vorrichtungen angewendet werden. Gleichzeitig soll das Auflösungsvermögen einer solchen Abtastvorrichtung relativ groß sein.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen zwei konkaven Spiegeln mit zusammenfallenden Krümmungsmittelpunkten und optischen Achsen, so daß ein durch eine öffnung in einen Spiegel einfallendes Lichtbündel zwischen den Spiegeln hin- und herrefiektiert wird, eine erste elektrooptische Ablenkungsvorrichtung angeordnet ist, die das Lichtbündel in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung in einer ersten Ebene ablenkt, während eine ebenfalls zwischen den Spiegeln angeordnete zweite elektrooptische Ablenkungsvorrichtung in Abhängigkeit von der an ihr angelegten elektrischen Spannung das Lichtbündel in einer zweiten zur ersten Ebene senkrecht liegenden Ebene ablenkt.

Eine scharfe Bündelung der hin- und herreflektierten Lichtstrahlen läßt sich erzielen, wenn die elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen zu beiden Seiten im Strahlengang je ein Linsensystem aufweisen, das gestattet, einerseits den Lichtstrahl auf den entsprechenden Spiegel zu fokussieren und andererseits den Lichtstrahl parallel zur optischen Achse des Systems auf die elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen einfallen zu lassen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen scharf gebündelten Lichtstrahl durch einen der konkaven Spiegel, der semitransparent gestaltet sein oder ein entsprechendes Loch aufweisen kann, in das System eintreten zu lassen. Ein solcher scharf gebündelter Strahl kann z. B. ein Laserstrahl sein. Als elektrooptische Ablenkungsvorrichtungen können beispielsweise entsprechend gestaltete Kerrzellen dienen.

Um eine kontinuierliche automatisch die ganze Abtastfläche erfassende Abtastung zu erreichen, wird gemäß eines weiteren Erfindungsgedankens an die beiden elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen je eine Wechselspannung unterschiedlicher Phasenlage, insbesondere solche, deren Phasenlagen um 90° gegeneinander verschoben sind, angelegt. Zweckmäßigerweise ist dabei die Frequenz dieser Wechselspannungen, die für beide elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen gleich gewählt wird, so bemessen, daß sie dem Quotienten aus der Lichtgeschwindigkeit und der doppelten Entfernung der beiden Spiegelflächen zueinander entspricht. Auf diese Weise wird erreicht, daß jeweils zum richtigen Zeitpunkt der Lichtstrahl in bezug auf die optische Achse weiter abgelenkt wird, bevor der Lichtstrahl auf den jeweiligen anderen Spiegel auftrifft. Die Reflexionen und Ablenkungen von der optischen Achse werden so lange fortgesetzt, bis der Lichtstrahl den äußeren Rand eines Spiegels erreicht hat.

Besonders günstige Abmessungen für eine elektrooptische Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend aufgeführten Gleichungen:

1. N²

4 π ΜΔ η —.
λ

Hierin ist N die Anzahl der auflösbaren Abtast-

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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 R² s« NL ^A ^^{es e}'^nen 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.

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

/ ' tung HO im unteren Prisma ausbreitendes Licht, das

in der Ebene —110 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 ent-

richtungen. sprechenden Lichtstrahl ist eine Änderung des Bre-

Eine besonders vorteilhafte elektrooptische Ab- chungsindexes 2 Δ 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 2Δ η 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 1/2 (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 AblenkungseinrichtiingenÖ

F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Erläute- 40 und 8 ist jeweils ein Linsensystem 10 und 12 angeord-

rung 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 (CuCl) quadratischen Quer- Linsensysteme 10 und 12 beträgt 2 r, werin 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, ζ. 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-Richtung 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 110-Ebene polarisiert sehen Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8 angelegten ist Wenn zwei solcher Kristalle so eingerichtet sind, Wechselspannungen sind in der graphischen Darstel-

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lung nach F i g. 3 aufgezeichnet. Die mit Vb gekenn- ihre Phasenlage um 90° zueinander verschoben ist. zeichnete Kurve stellt die Wechselspannung an den Auf diese Weise ergibt sich schließlich ein Lichtkreis Elektroden der Ablenkungsvorrichtung 6 dar. Wenn am Rand eines der beiden Spiegel 2 oder 4. Durch keine anderen Potentiale wirksam sind, würde sich Änderung der Amplituden und/oder Phasenlagen der unter dem Einfluß der an der elektrooptischen Ab- 5 Wechselspannungen Vb und Vc ergibt sich in an sich lenkungsvorrichtung 6 anliegenden Sinusspannung Vb bekannter Weise eine Ellipse oder andere Ablenkungseine Winkelablesung des kontinuierlichen Lichtstrahls figur. Wird das Auflösungsvermögen der Abtastergeben, der in das optische System durch das Loch 1 vorrichtung gemäß der Erfindung in bezug auf die im Spiegel 2 eintritt. Eine solche Winkelablesung hätte sich auf einem der Spiegel ergebenden Lichtpunkte nach aufeinanderfolgenden Durchgängen der hin- und io berechnet, dann gelangt man zu der Beziehung herreflektierten Lichtstrahlen durch die elektrooptische N = 2 π (R/L d Θ), worin N die Anzahl der auflös-Ablenkungsvorrichtung 6 zur Folge, daß der Ursprung- baren diskreten Punkte, 2 R die effektive Öffnung der lieh längs der optischen Achse 3 eingetretene Licht- konfokal angeordneten konkaven Spiegel, L den Abstrahl jeweils um den gleichen Betrag mehr und mehr stand zwischen den Spiegeln 2 und 4 und dO die abgelenkt würde, bis schließlich der Lichtstrahl nicht 15 Winkelablenkung eines Lichtstrahls von der optischen mehr von einem der Spiegel 2 oder 4 erfaßt würde. Achse 3 darstellt. Da der Betrag dQ in erster Näherung Wie sich aus F i g. 4 ergibt, stellt der Punkt F den gleich λ/2 R ist, ergibt sich für N angenähert 4 π R²/L. Auftreffpunkt des modulierten Lichts dar, wenn nur Wird angenommen, daß die elektrooptischen Ablendie elektrooptische Ablenkungsvorrichtung 6 aus dem kungsvorrichtungen 6 und 8 einen Brechungsindex Δ η durch das Loch 1 des Spiegels 2 eintretenden Licht- 20 besitzen, dann ergibt sich für die Winkelablenkung Δ Θ Strahls wirksam ist. bei einem Durchgang des Lichtstrahls durch die

Die zweite elektrooptische Ablenkungsvorrichtung 8 elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8: steht unter dem Einfluß einer zweiten Sinusspan- Δ nl/R, worin / die Länge der Wegstrecke ist, die der nung Vc, wie in F i g. 3 als gestrichelte Kurve dar- Lichtstrahl durch die elektrooptischen Ablenkungsgestellt. Die Sinusspannung Vc ist um 90° gegenüber 25 vorrichtungen 6 und 8 zurücklegt,
der Sinusspannung Vb in der Phase verschoben. Die Die Werte der Abmessungen / und R müssen in elektrooptische Ablenkungsvorrichtung 8 hat eine Ab- Einklang mit dem angestrebten Auflösungsvermögen, lenkung des durch sie gelangenden Lichtstrahls zur nämlich der Anzahl der mit dem Abtastsystem zu Folge, deren Richtung orthogonal zur Ablenkungs- erhaltenden auflösbaren Punkte gewählt werden. Eine richtung der elektrooptischen Ablenkungsvorrichtung6 30 betriebsfähige Abtastvorrichtung ist mit folgenden ist. Die Wirkung der elektrooptischen Ablenkungs- Parametern zu erhalten: Bei einer Anzahl der Revorrichtung 8 unter dem Einfluß der Modulations- flexionen M = 50, bevor der Rand der Spiegel erspannung Vc, die an ihre Elektroden 11 und 13 ange- reicht wird, einer Änderung des Brechungsindex eines legt wird, ist also derart, daß der Lichtstrahl in einer Kristalls der elektrooptischen Ablenkungsvorrichtung Ebene abgelenkt wird, die senkrecht zur Zeichnungs- 35 für durchgehende Lichtstrahlen von Δ η = 2 · 10~⁴, ebene liegt. Die sich durch die elektrooptische Ab- einer Wellenlänge des benutzten Lichts von λ = 5000 Ä lenkungsvorrichtung 8 allein ergebende Ablenkung und einem Spiegelabstand von L = 100 cm beträgt würde einen durch sie gelangenden Lichtstrahl in auf- die Anzahl der auflösbaren Punkte N = 500. Dabei einanderf olgenden Ablenkungsbeträgen schließlich in wird ein / = 0,2 cm und R = 0,45 cm benutzt. Wie die Lage des Punktes G (F i g. 4) bringen, der ebenso 40 sich herausgestellt hat, kann man den Berechnungen wie der PunktF außerhalb des Randes einer der der Parameter die Beziehungen R* — MAnIL und Spiegel 2 oder 4 liegt. Sind nun beide elektrooptischen N² — 4 π /?²//Α zugrunde legen.
Ablenkungsvorrichtungen6und8wirksam, d.h., beide Die obengenannten Werte der Parameter sind nur Wechselspannungen Vb und Vc liegen an, dann ergibt als Beispiel angegeben, d. h., die Erfindung soll auf sich unter dem Einfluß der jeweiligen Momentanwerte 45 ein solches Ausführungsbeispiel nicht beschränkt sein, der beiden Sinusspannungen eine entsprechende Lage Kleinere Abweichungen ergeben sich, wenn unterdes auf den Spiegel 2 oder 4 eintreffenden Lichtstrahls, schiedliche Lichtwellenlängen benutzt werden und die ja nicht unbedingt mit Punkten auf einer in F i g. 4 wenn die elektrooptischen Ablenkvorrichtungen 6 und gezeigten Achsen identisch sein muß. So ergibt sich 8 aus Kristallen bestehen, die unterschiedliche Brez. B. zum Zeitpunkt t_x (F i g. 3) unter Einwirkung der 50 chungsindizes aufweisen. Die Frequenz / der an die Spannungen Vb und Vc ein Ablenkungswinkel von elektrooptischen. Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8 45°, gemessen vom unteren Teil der senkrechten Achse angelegten Wechselspannungen ist dabei so gewählt, (F i g. 4), und zu einem Zeitpunkt, der in der Mitte daß die Beziehung gilt: T = 2 · L/c, worin c die Lichtzwischen dem 0-Durchgang der Kurve Vc und dem geschwindigkeit darstellt. Der Wert T bestimmt dabei Zeitpunkt I₁ liegt, ein Ablenkungswinkel von 22,5°. 55 die Zeitpunkte, zu denen jeweils an den elektroopti-Die konzentrischen Kreise in F i g. 4 stellen geometri- sehen Ablenkungsvorrichtungen 6 und 8 eine Phasensche Orte für einen jeweiligen Ablenkungsbetrag dar. umkehr der angelegten Wechselspannungen stattfindet, Während des Abtastvorgangs wird also der Ablen- so daß ein Lichtstrahl, der von einem der Spiegel 2 kungsbetrag schrittweise vergrößert, so daß jeweils oder 4 reflektiert worden ist, entsprechend abgelenkt ein Kreis mit größerem Radius wirksam wird, bis der 60 werden kann. Da L = 100 cm, ergibt sich für T:
Lichtstrahl außerhalb des Randes des Spiegels 2 oder

4 fällt. Der gestrichelt gezeichnete Kreis in F i g. 4 T = (2 ■ 100 cm) / (3 · 10¹⁰ cm/sec) = (2 · 10-⁸/3) see. deutet die Grenze der effektiven öffnung der Spiegel

an. Der Durchmesser dieses gestrichelt gezeichneten Mit / = l/T ergibt sich für das oben beschriebene

Kreises beträgt demnach 2 R. 65 Beispiel:

Im oben beschriebenen Beispiel besitzen die Wechsel- (3 · 10⁸/2) Hz = 150 MHz.

spannungen V_B und Vc (Fig. 3) bei gleicher Fre- '■

quenz jeweils die gleiche Maximalamplitude, während 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-

lenkungswinkel 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

209 521/289

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrooptische Abtastvorrichtung für Lichtstrahlen, deren Ablenkbewegung in geschlossenen Umlaufbahnen, insbesondere in konzentrischen Kreisbahnen, geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei konkaven Spiegeln (2, 4) mit zusammenfallenden Krümmungsmittelpunkten und optischen Achsen, so daß, ein durch eine öffnung (1) in einen Spiegel (2) einfallendes Lichtbündel zwischen den Spiegeln (2, 4) hin- und herrefiektiert wird, eine erste elektrooptische Ablenkvorrichtung (6) angeordnet ist, die das Lichtbündel in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung in einer ersten Ebene ablenkt, während eine ebenfalls zwischen den Spiegeln (2, 4) angeordnete zweite elektrooptische Ablenkungsvorrichtung (8) in Abhängigkeit von der an ihr angelegten elektrischen Spannung das Lichtbündel in einer zweiten zur ersten Ebene senkrecht liegenden Ebene ablenkt.

2. Elektrooptische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden elektrooptischen Ablenkungsvorrichtungen (6, 8) je eine Wechselspannung (Vb, Vc) unterschiedlicher Phasenlage, insbesondere solche, deren Phasenlage um 90° gegeneinander verschoben ist, anliegt.

3. Elektrooptische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrooptische Ablenkungsvorrichtung (6,' 8) je ein Doppelprisma (F ig.'5), bestehend aus Zinksulfid- oder Kupferchloridkristall, verwendet wird, dessen Ein- und Austrittsflächen senkrecht zum Strahlengang (3) und dessen Elektroden (11, 13) parallel zum Strahlengang (3) an den 001-Flächen liegen, wobei die diagonalliegende Schnittfläche des einen Kristalls des Doppelkristalls als Projektion eine Diagonale (b) in der 110-Ebene und die diagonalliegende Schnittfläche des anderen Kristalls des Doppelkristalls als Projektion eine Diagonale (b) in der —110-Ebene bildet und daß die Schnittflächen beider Kristalle aneinandergekittet sind.