DE1764133A1 - Digitaler optischer Brennweitenmodulator - Google Patents

Description

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Akte Na. PHD- 896
Anmeldung vomi3·April 1968

Philips Patentverwaltung GmbHo, 2 Hamburg 1, Mänekebergstr«» 7 "Digitaler optischer Brennweitenmodulator"

Die Erfindung bezieht sich auf einen digitalen Brennweitenmodulator· Aufgabe der Erfindung ist es, die bei der bisherigen Konstruktion auftretenden Abweichungen von der Gleiehabständigkeit der Brennpunkte zu reduzieren.

Digitale Brennweitenmodulatoren sind bekannt (UOSchmidt: "The Problem of Light Beam Deflection at High Frequencies" in "Optical Processing of Information", S, 98-103, Je Tippett et.al,ed., Spartan Books,Baltimore 1963)* Hierbei wird ein Lichtstrahl durch eine alternierende Reihe von elektrooptischen Polarisatoren und doppelbrechenden Linsen geschickt« Durch Betätigen der Polarisatoren kann man bei geeigneter Orientierung der optischen Achsen der doppelbrechenden Linsen den Öffnungswinkel des Lichtbündels in digitalen Stufen verändern, wobei der Wert der Brennweitenänderung als solcher nur durch die Geometrie der doppelbrechenden Linsen und durch die Werte der Brechungsindizes des doppelbrechenden Materials und des Brechungsindexes der Umgebung bestimmt wirdο Der Code der an die Polarisatoren zu legenden Spannungen ist binär»

Die Änderung der Brennweiten, geschieht in diskreten Stufen. Wählt man die Brennweiten der doppelbreehenden Linsen der einzelnen Modulatorstufen derart, daß sie jeweils um den Faktor zwei von Stufe zu Stufe zunehmen und gelten für diese Linsen die Gesetze dünner Linsen, so haben die ansteuerbaren Brennpunkte von den benachbarten Brennpunkten alle denselben Abstand₀

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Die Voraussetzung, daß es sich bei den doppelbrechenden Elementen um eine dünne Linse handelt, ist nicht immer erfüllt, da die Forderung nach einer geometrischen Progression der Brennweiten schnell zu sehr kleinen Brennweiten, d_eh_e großen ÖffnungsverhälW nissen, führen kann« In diesem Falle ist die oben erwähnte Grleichabständigkeit der Brennpunkte nicht mehr gewährleistet-» Die vorliegende Erfindung gibt die Möglichkeit, die Abweichung von der Grleichabständigkeit zu verringern, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Digitalstufe mindestens zwei doppelbrechende Linsen hintereinander angeordnet werden, wobei die opti« 'sehen Achsen der beiden Linsen senkrecht aufeinander und senk « recht zur Hauptebene stehen, und die einander zugekehrten Flächen entgegengesetzte Krümmung besitzen.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines digitalen Brennweitenmodulators ο Der digitale Brennweitenmodulator besteht aus einer alternierenden Reihe von N Polarisatoren P^..»««· und N doppelbrechenden Linsenkombinationen L.j «.»·„, jeweils bestehend aus einer Konkavlinse 1-. und einer Konvexlinse l_v<» Der Betrag der Effektivkrümmungen kJ . ₀. ·„ bzw_e kⁿ.j ■>..,»„ der Einzellinsen nimmt in diesem Beispiel in Richtung der Fortpflanzung des durch den Brennweitenmodulator laufenden Lichtstrahles S jeweils um den Faktor zwei zu_e Unter Effektivkrümmung wird dabei der reziproke Wert der Summe der Krümmungsradien der wirksamen Linsenflächen verstanden, wobei das Vorzeichen der Krümmung wie üblich gerechnet wird. In jeder Stufe des Modulators befinden sich wie erwähnt je eine Konkav- und eine Konvexlinse 1^«···» l_v<>.._e aus einem einachsigen doppelbrechenden Material, Die optischen Achsen a bzw. a¹ der beiden Linsen stehen senkrecht aufeinander und senkrecht zur Hauptebenennormale. Zusätzlich bilden die beiden optischen Achsen bei Verwendung von Modulatoren, die den transversalen elektro-optischen Effekt zeigen, mit der an den elektrooptischen Modulator anzulegenden elektrischen Feldrichtung einen Winkel von 45°« Durch diese Orientierung des elektro-optischen Modulators wird erreicht, daß ein ursprünglich parallel bzw»

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senkrecht zu den optischen Achsen linear polarisierter Lichtstrahl "bei Anlegen bzw«, Nichtanlegen einer Spannung bei Durchgang durch den Brennweitenmodulator stets senkrecht bzw« parallel polarisiert zu den optischen Achsen orientiert bleibt, von Aberrationen, abgesehen. Dadurch, daß in ,-jeder Stufe des Brennweitenmodulators zwei doppelbreehende Linsen vorhanden sind,^ wird gegenüber einer einfachen Linse, die die gleiche Brechkraft wie die beiden Linsen zusammen besitzt, die Krümmung der beteiligten brechenden Flächen reduziert. Außerdem wird durch die Verwendung je einer konkaven und einer konvexen Linse je Stufe eine insgesamt dünnere Linsenbauform erzielt als bei Verwendung zweier Linsen mit Flächen gleichen Krümmungsvorzeichens, Beide Faktoren bewirken, daß die Gesetze dünner Linsen in vielen Fällen auch da noch anwendbar sind, wo sie bei Benutzung einfacher doppelbrechender Linsen nicht mehr in ausreichendem Maße gültig wären«.

Die beschriebene Linsenbauform läßt sich im Rahmen der Erfindung in mannigfacher Weise variieren«, Das in Figo 2 schematisch dargestellte System erreicht durch die planen Außenflächen ρ bzw» p¹ der doppelbrechenden Linsenkombination L* «.<> _β ·. * o-L», daß die Lage der Brennpunkte in einem für die meisten praktischen Anwendungsfälle ausreichendem Maße unabhängig von temperaturbedingten Brechungsindexschwankungen des die Linsen umgebenden Materials ist. Vorausgesetzt ist hierbei, daß innerhalb der Linsenkombination jeweils zwei brechende Flächen, die möglichst nahe und benachbart zueinander liegen, die komplementäre Form aufweisen, deho beide besitzen entgegengesetzt gleiche Krümmungen·

Eine weitere Eigenschaft der Anordnung der Figo 2 ist, daß der Modulationsbereich des Öffnungswinkels des in das System eintretenden Strahles S nach kleineren und größeren Werten stets gleich ist, von allgemeinen geringen Aberrationen abgesehen. Im allgemeinen wird es nicht erforderlich sein, in sämtlichen Stufen eines Brennweitenmodulators Kombinationen aus mehreren doppelbrechenden Linsen zu verwenden«. In den Stufen für geringe Änderungen des Öffnungswinkels des Lichtstrahls werden einfache Linsen ausreichend sein, wie in Fig« 3 schematisch dargestellto

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*i» 4- W»

Während nur die letzte Linsenkombination L^ aus einer Konkavlinse und einer Konvexlinse Ly bestellte

Falls eine Kombination aus zwei doppelbrechenden Linsen zur leduktion der erwähnten Aberrationen nicht ausreicht, läßt sich eine weitere Verbesserung entsprechend der vorliegenden Erfindung erreichen, wenn man eine höhere Anzahl von doppelbrechenden Elementen je Stufe verwendet· Die Figo 4 gibt ein Beispiel für eine doppelbrechende Linse aus drei Linsenelementen 1-, I₂, 1^o

Es ist durchaus nicht erforderlich, bei Linsenkombinationen nach der Erfindung Einzelelemente zu verwenden, deren brechende Flächen beide den gleichen Krümmungsbetrag besitzen,, Es ist ebenso möglich, zwischen beiden einen Unterschied zuzulassen, um dadurch z_eB# sphärische Aberrationen möglichst klein zu halten, sofern nicht andere Erfordernisse, d_oh_o Temperaturkonstanz der Lage der Brennpunkte dem widersprechen. Welche Kombinationen von Krümmungen von brechenden Flächen im speziellen Fall am geeignetsten sind, läßt sich nach den bereits bekannten Verfahren zur Korrektur von optischen Systemen und den Gesetzen der Doppelbrechung entscheiden, wie z.B« bei JoFlüggej "Leitfaden der geometrischen Optik und des Optikrechnens", Vandenhoeck und Ruprecht, Göttingen 1956, sowie bei P.Chmela: "Strahlenverlauf in einem System aus doppelbrechenden Linsen", Optik 2j5, 154-163 (1968)₉ beschrieben.

Patentansprüche:

♦, 5 -m

Claims (1)

1. Patentansprüche . )

   Digitaler Brennweitenmodulator mit hintereinander angeordneten steuerbaren elektro-optischen Polarisatoren und doppelbrechenden Linsen, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Digital— stufe mindestens zwei doppelbrechende Linsen hintereinander angeordnet sind, wobei die optischen Achsen der beiden Linsen senkrecht aufeinander und senkrecht zur Hauptebenennormale der beiden Linsen stehen und die einander zugekehrten Flächen entgegengesetzte Krümmung besitzen_o

   2β Digitaler Brennweitenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Jeder Digitalatufe die erste und letzte Fläche der doppelbrechenden Linsenkombination plan und die übrigen Flächen paarweise komplementär sind»

   3 ο Digitaler Brennweitenmodulator nach Anspruch 1₉ dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teil der Digitalstufen einfache doppelbrechende Linsen und in einem anderen IeIl der Digitalstufen Linsenkombinationen mit mindestens je zwei doppelbrechenden Linsen verwendet werden·

   4· Digitaler Brennweitenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenkombination aus einer zwischen zwei Konkavlinsen angeordneten Konvexlinse besteht»

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