DE1572811C - Anordnung zur Temperaturstabilisierung in digitalen optischen Ablenksystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein digitales optisches Ablenksystem mit einer alternierenden Reihe von doppelbrechenden Prismen und Polarisatoren.

Digitale Lichtstrahlablenker bestehen aus einer alternierenden Reihe von doppelbrechenden Elementen, meist Prismen und Polarisationsschaltern. Bei den Lichtstrahlvervielfachern, wie sie von W. J. Tabor im »Appl. Optics«, Nr. 6, 1967, auf S. 1275 »Multiple Imaging .Device Using Wollaston Prismus« beschrieben worden sind, werden, als äquivalente doppelbrechende Elemente A/4-Plättchen zur Polarisation verwendet. Dabei bilden im allgemeinen die brechenden Winkel der Prismen, durch die ein einfallender Strahl in seiner Richtung etwas abgebogen wird, eine geometrische Reihe mit dem Basisfaktor 2. Für den Aufbau eines eindimensionalen digitalen Strahlablenker, bei dem der Lichtstrahl also in einer Ebene abgelenkt wird, ist es aus konstruktiven Gründen wünschenswert, daß bei einem parallel zur Achse des Systems einfallenden Strahl die Symmetrieachse der Gesamtheit aller möglichen Austrittsrichtungen mit der Systemachse übereinstimmt. Es ist weiterhin wünschenswert, daß die Lage der Symemtrieachse in Bezug zur Systemachse unabhängig von der Systemtemperatur ist.

Bisherige Lösungen zur Erfüllung dieser Forderungen verwenden Wollastonprismen oder ähnliche Strukturen, die durch geeignete Zusammensetzung von mindestens zwei Prismen pro digitaler Elementstufe erhalten werden. .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei digitalen, optischen Ablenksystemen den Temperatureinfluß in bezug auf die Symmetrieachse des optischen Systems möglichst zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der brechende Winkel des stärksten Prismas in die entgegengesetzte Richtung weist wie der anderen Prismen.

Die vorliegende Erfindung vermindert den technischen Aufwand erheblich, indem pro Stufe nur noch ein Prisma erforderlich ist. Erfindungsgemäß ist also die brechende Kante des stärksten Prismas parallel zu denen der anderen Prismen derselben Ablenkkoordinate, der brechende Winkel jedoch im wesentlichen entgegengesetzt orientiert.

Zur Erläuterung werden in der Zeichnung Ausführungsbeispiele nach der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.

Die Anordnung nach Fig. 1 zeichnet sich gegenüber der nach F i g. 2 durch eine kleinere Einfallswinkelaberration aus. Die Polarisationsschalter 1, 1' 1" können z. B. Kerrzellen sein oder auch Λ/4-Plättchen. Im letzteren Fall wird eine entsprechende Lichtstrahlaufspaltung erhalten, während bei Verwendung von Kerrzellen eine steuerbare Lichtstrahlablenkung in an sich bekannter Weise möglich ist. Die doppelbrechenden Prismen 2, 2', 2" haben einen sich jeweils verdoppelnden Brechungswinkel. Das Prisma 2, 2" Hegt mit seinem Brechungswinkel entgegengesetzt zu den vorangegangenen Prismen.

Die auf Grund der Anwendung des Erfindungsgedankens erzielte Temperaturstabilität bei den Anordnungen wird an einem Zahlenbeispiel deutlich. Die maximale Abweichung der Symmetrieachse SYM des Feldes aller möglichen Strahlrichtungen von der Systemachse SY ist durch den Winkel gegeben, den die Systemachse SY mit der Winkelhalbierenden der beiden durch das schwächste Prisma definierten Strahlrichtungen bildet. Das ist bei einem Kalkspatprisma von 4' Brechungswinkel, das von Nitrobenzol umgeben ist, und das einen Lichtstrahl des He-Ne-Lasers ablenkt, ein Winkel von 3", der auf 3,7" anwächst, wenn die Temperatur sich von 15° C auf 25° C erhöht. Die angegebenen Werte für die Winkelabweichungen sind unabhängig von der Zahl der im System befindlichen Anzahl von Prismen, von Fertigungstoleranzen und Winkelaberrationen bei sehr großen brechenden Winkeln abgesehen (vgl. weiter unten). .

Bei bisherigen einfachen Prismensystemen wachsen die Winkelabweichungen dagegen mit der Anzahl der Prismen an. Beispielsweise würden bei einem zehnstufigen Lichtablenker die entsprechenden Werte der Winkelabweichungen um den Faktor 1023 größer sein.

Legt man Wert darauf, daß bei Anordnungen der F i g. 1 und 2 die Logik der binären Ansteuersignale dieselbe ist wie die der bekannten Anordnung, so ist auf eine entsprechende Orientierung der optischen Achse des »auf den Kopf« gestellten Prismas in F i g. 1 und 2 zu achten. Haben z. B. die Prismen alle dieselbe Orientierung der optischen Achse, so muß die optische Achse des »auf den Kopf stehenden« Prismas in Fig. 1 und 2 um 90° gegenüber den optischen Achsen der übrigen Prismen gedreht sein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der F i g. 3 wiedergegeben. In diesem Falle befindet sich das stärkste Prisma 2' an vorletzter Stelle. Während hierbei die Winkelkorrektur dieselbe wie in den Anordnungen der F i g. 1 und 2 ist, wird in der Anordnung der F i g. 3 außerdem erreicht, daß die Strahlversetzung ein Minimum erreicht.

Die bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen verbleibende sehr kleine Winkelabweichung läßt sich noch weitgehend reduzieren, indem man entsprechend der Fig. 4 ein isotropes, z. B. einfach brechendes Prisma 3 in den Strahlengang bringt. Dabei muß zur Erreichung einer optimalen Reduzierung der Winkelabweichung und der Temperaturabhängigkeit dieser Winkelabweichung der brechende Winkel γ des isotropen Prismas 3 gleich dem des schwächsten doppelbrechenden Prismas 4 sein. Der Brechungsindex «,- des isotropen Prismas 3 ist dann durch die Gleichung

+ n_e

wobei

/I₀ = Brechungsindex des doppelbrechenden Pris-

• mas 4 für den ordentlichen Strahl,
n_e = Brechungsindex des doppelbrechenden Prismas 4 für den außerordentlichen Strahl.

Die Temperaturkoeffizienten der Brechungsindizes dieser beiden Prismen sollen möglichst gleich sein. Die Anordnung der Prismen S und 6 entspricht der bereits beschriebenen. ,

Die vorstehenden Betrachtungen gelten nur, solange sich bei Berechnung der brechenden Winkel im Rahmen der gewünschten Genauigkeit im Brechungsgesetz die trigonometrischen Funktionen durch die Winkel selber ersetzen lassen. Diese Voraussetzung kann im allgemeinen gemacht werden. Da nämlich anderenfalls Einfallswinkelaberrationen auftreten, wird man normalerweise zu deren Korrektur technisch aufwendigere Kombinationen von Einfach-

prismen benutzen, bei denen die eingangs genannten beiden Probleme automatisch gelöst werden. In solchen Fällen wird man also zweckmäßigerweise nur die ersten Stufen des Ablenksystems aus einfachen Prismen aufbauen. Fig. 5 zeigt schematisch ein Beispiel, bei dem an letzter Stelle ein Doppelprisma 7, 8 vorgesehen ist.

Die im vorstehenden angegebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eindimensionale digitale optische Systeme, lassen sich jedoch in ganz analoger Weise auf zwei Dimensionen ausdehnen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Digitales optisches Ablenksystem mit einer alternierenden Reihe von doppelbrechenden Prismen und Polarisatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der brechende Winkel des stärksten Prismas in die entgegengesetzte Richtung weist wie die der anderen Prismen.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß alle Prismen die gleiche Orientierung der optischen Achse aufweisen.

3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stärkste Prisma eine gegenüber den anderen Prismen um 90° gedrehte Richtung der optischen Achse aufweist.

4. Optisches System nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stärkste Prisma in der letzten (ein Einfachprisma enthaltenden) Ablenkstufe angeordnet ist.

5. Optisches System nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stärkste Prisma in der vorletzten (ein Einfachprisma enthaltenden) Ablenkstufe angeordnet ist.

6. Optisches System nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich ein einfaches isotropes Prisma enthält, dessen brechender Winkel gleich dem des schwächsten (Einfach-)Prismas ist und dessen Brechungsindex so bemessen ist, daß die Systemachse mit der Symmetrieachse des Strahlrichtungsfeldes übereinstimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen