DE1764132A1 - Anordnung zur Temperaturstabilisierung eines digitalen optischen Brennweitenmodulators - Google Patents

Description

Dr. Heribert tfrh^ia, ■ «ι *t r> ■ λ -1 O O

Patcnlau,.-·!! I / θ4 I OC

_Anrnc!,u,.. Philips Paientvarwcsltung GmbH,

«W No. PHD- 897 .
Anr!..:-=avc".:' 5.April 1968

Philips Patentverwaltung GmbHο» 2 Hamburg 1, Mönckebergstr,, 7

"Anordnung zur Temperaturstabilisierung eines digitalen optischen Brennweitenmodulators"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Temperaturstabilisierung der lage der Brennpunkte eines digitalen Brennweitenmodulators mit einfacher doppelbrechender linse in jeder Stufe hinter dem Polarisator Die- Lage der Brennpunkte eines digitalen optischen Brennweitenmodulators kann bei Verwendung von doppelbrechenden Einzellinsen spezieller Form unabhängig von dem die Linsen umgebenden Medium temperaturstabilisiert werden«

Digitale Brennweitenmodulatoren sind bereits bekannt (UoSchmidt: "The Problem of Light Beam Deflection at High Frequencies" in "Optical Processing of Information", So 98-103, JoTippett et_eal· ed., Spartan Books, Baltimore 1963)0 Es wurde vorgeschlagen, einen Lichtstrahl durch eine alternierende Reihe von elektrooptischen Polarisatoren und Linsen aus doppelbrechenden Materialien zu schicken. Durch Betätigen der Polarisatoren kann man den öffnungswinkel des Lichtbündels in digitalen Stufen verändern, wobei die Veränderungen nur durch die Geometrie der doppelbrechenden Linsen und durch die Werte der Brechungsindizes des doppel.brechenden Materials und des umgebenden Mediums bestimmt werden« Der Code der an die Polarisatoren zu legenden Spannungen ist binäre

Als Polarisatoren haben sich in der Praxis Nitrobenzol-Kerrzellen als brauchbar erwiesen. Bei deren Verwendung ist es zweckmäßig, die doppelbrechenden Linsen und Kerrzellenelektroden in einem gemeinsamen Trog unterzubringen. Dadurch werden automatisch die

PHD- 897 (EV- 3096) - 2 «

Bu/ 109820/0703

an den Linsenflächen auftretenden Reflexionen auf.ein sehr geringes Maß (0,1 #) reduzierte Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die hohe Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes von Nitrobenzol eine Änderung der Öffnung des Lichtbündels mit der Temperatur verursacht. Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen Nachteil, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß für die doppelbrechende Linse der stärksten Krümmung das entgegengesetzte Vorzeichen der Krümmung zu dem der übrigen doppelbrechenden Linsen gewählt ist, bzw₀ daß die Summe der Krümmungen der brechenden Flächen des die Polarisatoren und die doppelbrechenden Linsen umgebenden Mediums gleich Null ist.

Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch zwei Ausführungsbeispiele nach der vorliegenden Erfindung, Im ersten Beispiel besteht der digitale Brennweitenmodulator aus einer alternierenden Reihe von (N - 1) elektrisch ein- und ausschaltbaren Polarisatoren P₁ ., _Λ

I · · ο β IN— I

und (N - 1) doppelbrechenden Konvexlinsen L_{1 ΛΤ Λ} mit geeignet orientierten optischen Achsen a, sowie einem weiteren Polarisator P„ und einer doppelbrechenden Konkavlinse L^· Die Effektivkrümmungen k-p..·^ der Konvexlinsen nehmen in Richtung der Fortpflanzung des durch den Brennweitenmodulator laufenden Lichtstrahls S um jeweils den Faktor 2 zu· Unter Effektivkrümmung wird dabei der reziproke Wert der Summe der Krümmungsradien der wirksamen Linsenflächen verstanden. Die Effektivkrümmung der Konkavlinse L™· ist doppelt so groß wie die der Konvexlinse mit der größten Effektivkrümmung jedoch von entgegengesetztem Vorzeichen. Im zweiten Beispiel nach Fig. 2 sind Konkavlinsen durch Konvexlinsen (und umgekehrt) ersetzt worden» In beiden Fällen wird die öffnung eines durch den Brennweitenmodulator hindurchlaufenden Strahles In jeder Stufe nicht nur durch die jeweilige doppelbrechende Linse, sondern auch durch den Brechungsindex des umgebenden isotropen Mediums beeinflußt. Dieser Einfluß des Mediums läßt sich anschaulich dadurch erfassen, daß man das umgebende Medium als eine Linse mit einer zur doppelbrechenden Linse komplementären Form auffaßt. Die ersten (N - 1) komplementären Linsen besitzen im Vergleich zur N-ten Linse entgegengesetztes Vorzeichen der Brennweite» Die summierte Brechkraft aller N Komplemen-

109820/0703

tärlinsen ist gleich der der Linse der Stufe schwächster Brechkraft, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen., Das umgebende Medium bestimmt die' Temperaturabhängj^eit des Öffnungswinkels des Strahles daher nur noch durch die Temperaturabhängigkeit dieser Linse schwächster Brechkraft. Beispielsweise ist in einem 10-stufigen Brennweitenmodulator diese Temperaturabhängigkeit um den Faktor 1023 kleiner als bei einem Modulator bisheriger Konstruktion, bei dem alle doppelbrechenden Linsen gleiches Vorzeichen der Krümmung besitzen,,

Eine noch weitergehende Stabilisierung der Lage der Brennpunkte des Brennweitenmodulators kann erreicht werden, wenn in das System zusätzlich eine isotrope Linse L_Q eingefügt wird (Figo 3), deren Effektivkrümmung gleich der der schwächsten doppelbrechenden Linse ist und deren Brechungsindex gleich dem mittleren Brechungsindex des doppelbrechenden Materials - möglichst bei allen in Betracht kommenden Temperaturen -.ist« Selbst wenn die zweite Bedingung der Gleichheit des isotropen Brechungsindex und des mittleren Brechungsindex der doppelbrechenden Linse wegen der begrenzten Anzahl der zur Verfügung stehenden optischen Materialien nur ungefähr einzuhalten ist, wird die verbleibende temperaturbedingte Lageänderung der Brennpunkte in den meisten praktischen Fällen erheblich kleiner sein als die Brennpunktausdehnung O

Eine weitere Modifikation im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeigt die Fig. 4. In dem hier schematisch dargestellten Brennweitenmodulator besitzen die beiden Oberflächen einer doppelbrechenden Linse I|_tog, nicht gleiches Krümmungsvorzeichen_e Wenn auch für die Lage der Brennpunkte nur die Effektivkrümmung der doppelbrechenden Linsen entscheidend ist, so wirkt sich die Verteilung der Krümmung auf Vorder- und Hinterflächen der doppelbrechenden Linsen auf den Korrektionszustand des hindurchtretenden Strahles aus« Welche der möglichen Verteilungen von Vorteil ist₉ hängt von den jeweiligen Randbedingungen des Systems - z.B· Öffnung des in den Brennweitenmodulator eintretenden Bündels ab und kann nach den bekannten Regeln der geometrischen Optik

109820/0703

entschieden werden, siehe z.B· J.Flügge: "Leitfaden der geometrischen Optik und des Optikrechnens¹¹, Vandenhoeck und Ruprecht» Göttingen 1956, sowie P.Chmela, "Strahlenverlauf in einem System aus doppelbrechenden Linsen", Optik 2jS, 254-263 (1968).

Die vorstehenden Betrachtungen gelten nur so lange, wie für die oben erwähnten isotropen Komplementärlinsen die Gesetze dünner Linsen gültig sindo Dieses wird im allgemeinen bei den ersten Stufen eines Brennweitenmodulators der Fall sein,, Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die letzten Stufen eines Brennweitenmodulators, in denen die Gesetze dünner Linsen nicht gültig sind, ist in der Regel nicht erforderlich, weil man hier ohnehin zur Minderung von z.B» sphärischen und Doppelbrechungsaberrationen Kombinationen doppelbrechender Linsen einsetzen wird» Bei diesen Stufen hat man dann in jedem einzelnen Falle darauf zu achten, daß die isotropen Komplementärlinsen des umgebenden Mediums insgesamt eine verschwindende Effektivkrümmung ergeben.

Fige 5 zeigt als Beispiel schematisch einen Brennweitenmodulator, dessen erste Stufen entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind und dessen letzte Stufe aus einer Kombination K_n doppelbrechender Linsen mit verschwindender Effektivkrümmung der Komplementärlinse besteht,/k'jr und k"jr einander entgegengesetzt gleich sind. ^d®

Die Anwendungsmoglichkeit der Erfindung ist nicht beschränkt auf das oben zitierte Beispiel der Verwendung von Nitrobenzol als TJmgebungsmedium für die doppelbrechenden Elemente. Für andere isotrope Materialien gelten dieselben Betrachtungen und Regeln.

Patentansprüche:

109820/0703

Claims (2)

1. Patentansprüche

   1J Anordnung zur Temperaturstabilisierung der lage der Brennpunkte eines digitalen Brennweitenmodulators mit einfacher dopperbrechenderLinse in jeder Stufe hinter dem Polarisator, dadurch gekennzeichnet, daß für die doppelbreohende Linse der stärksten Krümmung das entgegengesetzte Vorzeichen der Krümmung zu dem der übrigen doppelbrechenden Linsen gewählt ist,
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in den Strahlengang eine isotrope Linse gleicher Krümmung wie der schwächsten doppelbrechenden Linse eingefügt ist, wobei der Brechungsindex dieser isotropen Linse gleioh dem mittleren Brechungsindex des doppelbrechenden Materials bei möglichst allen in Betracht kommenden Temperaturen ist_o

   3-0. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Brennwe.itenmodulator außerdem Digitalstufen mit Kombinationen doppelbrechender Linsen mit versehwindender Effek~ tirkrümmung der Komplementärlinse enthalte

   10 982070703