DE1805395A1

DE1805395A1 - Elektro-optische Lichtablenkvorrichtung

Info

Publication number: DE1805395A1
Application number: DE19681805395
Authority: DE
Inventors: Aagard Roger Leet
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1967-10-30
Filing date: 1968-10-26
Publication date: 1969-07-17
Also published as: US3531183A

Description

Dipl. Ing. R. MertenS -Frankfurt a.M., den 24.0ktober 1₉β8

Patentanwalt - .

FnnWurt/M.. AmmeiburgstraÖe 34 L 84h P 109

HONEYWELL INC.

27OI Fourth Avenue South

Minneapolisj Minnesota, USA

"Elektro-optische Lichtablenkvorrichtung"

Die Erfindung bezieht sich auf Lichtablenkvorrichtungen mit einem lichtdurchlässigen elektro-optischen Medium. Elektrooptische Lichtablenkvorrichtungen sind bekannt, in denen Lichtstrahlen durch Änderungen der optischen Eigenschaften desjenigen Mediums abgelenkt werden, durch das der Lichtstrahl hindurch läuft. Als elektro-optische Medien sind in den verschiedensten Ablenkvorrichtungen bereits kristalline, flüssige und gasförmige Stoffe verwendet worden.

Die Erfindung befaßt sich besonders mit solchen Ablenkvorrichtungen, bei denen ein Lichtstrahl in dem Ablenkmedium mehrere Male hin und her geschickt wird, so daß die Größe der Ablenkung

909829/0987

'S

kumulativ zunimmt. Die Erfindung soll in Verbindung mit einem " elektro-optischen kristallinen Medium beschrieben werden, wie es durch die US-Patentschrift 3 295 912 bekannt geworden ist. Die Erfindung ist jedoch auf alle elektro-optischen Ablenkmedien . anwendbar, bei denen man eine kumulative Ablenkung erreichen kann.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei solchen Ablenkmedien eine höhere kumulative Ablenkung zu erreichen, b.ei_ denen ein Lichtstrahl mehrere Mal«e hindurchgeschickt wird.

Die Erfindung beinhaltet also eine Lichtstrahlablenkvorrichtung mit einem lichtdurchlässigen, feldempfindlichen Ablenker, in dem ein Lichtstrahl, der unter einem Winkel A eintritt, mit Hilfe von zwei Reflektoren mehrere Male hin und her reflektiert wird, ablenkbar ist, wenn ein elektrisches Feld an dem Ablenker anliegt Diese Lichtstrahlablenkvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflektoren nicht-parallel zueinander angeordnet sind, wobei der erste Reflektor gegenüber dem Ablenker in einer vorgegebenen Ebene liegt und der zweite Reflektor bezüglich der Ebene des ersten Reflektors in einem Winkel B angeordnet ist, der kleiner als der Winkel A ist, so daß ein Lichtstrahl, der in den Ablenker eintritt, zwischen den beiden Reflektoren viele Male hin und her reflektiert wird, so daß der Lichtweg innerhalb des Ablenkers erst absteigend und dann aufsteigend ist und dadurch eine zusätzliche kumulative Ablenkung auftritt.

Die Ziele der Erfindung werden also durch zwei nicht-parallele Reflektoren verwirklicht, die zu beiden Seiten des Lichtablenkers angeordnet sind. Licht, das in den Ablenker eintritt, wird daher zwischen den beiden Reflektoren viele Male durch den Ablenker hindurch reflektiert. Dabei läuft der Lichtstrahl zuerst durch den Ablenker hindurch nach.unten und anschließend wieder nach oben, so daß sich eine kumulative Ablenkung des Lichtstrahles ergibt. An den Ablenker wird ein variables elektrisches oder magnetisches Feld angelegt, dessen Stärke der gewünschten Ablenkung des Lichtes proportional ist. onofiOQ /flQfl?

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden. _s

Figur 1 zeigt schematisch eine Lichtablenkvorrichtung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist.

Figuren 2, 3 und 4 zeigen verschiedene Anordnungen für nichtparallele Reflektoren, die den Lichtstrahl durch den eigentlichen Ablenker hindurch hin und her reflektieren, so daß sich eine kumulative Ablenkung ergibt.

Figur 5 zeigt schematisch einen Ablenker, bei dem die Reflektoren als reflektierende Schichten an den Seitenwänden des Ablenkers aufgebracht sind.

Figuren 6 und 7 zeigen bekannte Reflektoranordnungen, die bereits zum Hin- und Herreflektieren eines Lichtstrahles durch einen Ablenker hindurch verwendet wurden.

Figur 8 ist eine graphische Darstellung und zeigt, um wieviel größer die Ablenkung bei einer erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung als bei bekannten Ablenkvorrichtungen dieser Art ist.

In der Figur 1 ist eine monochromatische Lichtquelle 10 dargestellt, die beispielsweise ein Dauerstrichlaser sein kann, der polarisiertes Licht abgibt. Derjenige Teil des Lichtstrahles, der durch den Ablenker 20 hindurchgeht, ist der Einfachheit halber durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist der elektro-optische Lichtablenker 20 so ausgebildet, wie es in der US-Patentschrift 3·295·912 beschrieben worden ist. Dieser Lichtablenker weist einen lichtdurchlässigen Körper aus zwei elektro-optischen Medien 22 und 2k auf. Die, Grenzfläche zwischen den beiden Medien ist mit 26 bezeichnet. Diese Medien, die vorzugsweise Kristalle sind, wei-

909829/09 87

sen die Eigenschaft auf, daß sich ihre Brechungsindices beim Anlegen eines elektrischen Feldes in entgegengesetzten Richtungen ändert. Beispiele für Materialien, die diesen elektrooptischen Effekt zeigen, sind Kaliumdihydrophosphat, Kaliumdideuteriumphosphat, Amoniumdihydrophosphat und Bariumtitanat. Die Kristalle können etwa gleich groß und so zusammengekittet sein, daß eine Art Quader entsteht, wie es dargestellt ist. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Arten von lichtablenkenden Medien und auch auf anders ausgebildete Medien anwendbar, durch die ein Lichtstrahl mehrere Male hin und her reflektiert wird, um eine kumulative Ablenkung zu erzielen.

Ein Lichtstrahl, der in den Lichtablenker 20 eintritt, wird beim Durchsetzen der Grenzfläche 26 abgelenkt, wenn man in dem Lichtablenker ein elektrisches Feld hervorruft, das auf dem Weg des Lichtstrahls senkrecht steht. Dieses ist im einzelnen in der bereits erwähnten US-Patentschrift beschrieben worden. Das elektrische Feld wird an den lichtdurchlässigen Quader aus den beiden elektro-optischen Medien 22 und 24 durch zwei Elektroden 28, 29 angelegt, die an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des .Quaders angeordnet sind. Welche Materialien für diese Elektroden verwendet werden können und wie die Elektroden an den Oberflächen des Quaders angebracht werden können, ist bekannt und braucht daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

An zwei anderen sich gegenüberliegenden Seiten des Quaders sind Reflektoren angeordnet, die als Spiegelflächen 30 und 32 ausgebildet sind. Durch diese beiden Reflektoren wird der Lichtstrahl viele Male durch den Quader hindurch hin und her reflektiert. Diese Reflektoren können als getrennte Spiegelflächen ausgebildet sein, die unabhängig in der Nähe zweier sich gegenüberliegender Stirnflächen des Quaders angeordnet sind, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Diese Reflektoren können aber auch _tals Schichten direkt auf dem Quader aufgebracht worden sein,

909829/0987

wie es im Falle des Reflektors 32 dargestellt ist. Wenn die Reflektoren als reflektierende Schichten ausgebildet sind oder den lichtdurchlässigen Quader direkt berühren, sollten sie aus einem dieelektrischen Material hergestellt sein, oder man sollte zwischen den elektrisch leitenden Elektroden 28 und 29 und den Reflektoren einen lichtdurchlässigen Isolator verwenden, um einen Kurzschluß zwischen den beiden Elektroden zu vermeiden.

Erfindungsgemaß sind nun die Reflektoren 30 und 32 in einer ganz bestimmten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet worden, um die kumulative Ablenkung eines Lichtstrahles zu erhöhen. Der Reflektor 30 ist gegenüber dem Reflektor 32 um einen positiven Winkel geneigt. Der Reflektor 32 ist dagegen praktisch parallel zur Seitenfläche des Ablenkers 20 angeordnet, neben der er sich befindet. Dadurch ist für einen Lichtstrahl, der in den Ablenker 20 unter einem Winkel A eintritt, ein optischer Hohlraum geschaffen, in dem der Lichtstrahl laufend zwischen den beiden Reflektoren 30 und 32 hin und her reflektiert wird. Bei diesen laufenden Reflektionen wandert der Lichtstrahl in dem Ablenker zuerst nach unten und dann wieder nach oben, und er verläßt den Ablenker schließlich in der Weise, wie es dargestellt ist. Um nun sicher zu stellen, daß der Lichtstrahl in dem Ablenker 20 zuerst nach unten und dann nach oben wandert, ist es notwendig, den Reflektor 30 um einen Winkel B geneigt anzuordnen, der kleiner als der Einfallswinkel A des einfallenden Lichtstrahls ist. Dieser Zusammenhang zwischen den "winkeln A und B wird noch näher erläutert.

bei ''3^' ist eine Möglichkeit dargestellt, wie man an die Elektroden 28 und 29 ein variables elektrisches Feld anlegen kann, wenn der Schaltkreis bei 34 geschlossen wird, wird an die beiden Elektroden 28 und 29 eine Spannung angelegt, durch die der aus üem Ablenker austretende Lichtstrahl abgelenkt wird.

909829/0987

BAD ORIGINAL

In der Figur 1 ist noch ein Schirm 36 vorgesehen worden, auf dem die normale Lage des nicht, abgelenkten Lichtstrahls zu sehen ist. Wenn man mittels des Schaltkreises bei 3*J eine Spannung anlegt, wird der Strahl abgelenkt. Diese Ablenkung erfolgt in senkrechter Richtung, wie es bei Ablenkern dieser Art üblich und in dem bereits genannten US-Patent beschrieben ist. Dieses ist ebenfalls auf dem Schirm 3.6 angedeutet worden. Man kann den Ablenker 20 zwischen den Reflektoren 30 und 32 jedoch auch so orientieren, daß der Lichtstrahl in einer anderen Ebene oder einer anderen Richtung abgelenkt wird. Man kann den Ablenker beispielsweise um 90 drehen und erhält dann

eine horizontale Lichtablenkung.

In den Figuren 2, 3 und 4 sind drei verschiedene Fälle schematisch dargestellt, mit denen die verschiedenen Wege des Lichtstrahls in Abhängigkeit vom Zusammenhang zwischen den Winkeln A und B gezeigt werden sollen. Der Einfachheit halber ist das ablenkende Medium weggelassen worden. Die Reflektoren tragen dieselben Bezugszifr 1. Die Figur 2 stellt den Fall dar, in dem A/B eine gerade ganze Zahl ist und in dem der Lichtstrahl auf seinem Weg den Ablenker nach unten N = A/B Mal hin und her reflektiert wird. Auf seinem Weg nach oben wird der Lichtstrahl ebenfalls N Mal hin und her reflektiert und tritt dann oben aus dem Ablenker aus. Die Figur 3 zeigt den Fall, in dem A/B eine ganze ungerade Zahl ist. Wieder wird der Lichtstrahl auf seinem Weg nach unten und auf seinem Weg nach oben jeweils N Mal hin und her reflektiert. Im Fäll der Figur 2 trifft der Strahl ganz unten unter einem Winkel von 90° auf den Reflektor 32 auf, und auch im Fall der Figur 3 beträgt der Einfallswinkel des Lichtstrahls ganz unten am Reflektor 30 90°. Die Figur k zeigt den Fall, in dem A/B keine ganze Zahl ist. In diesem Falle beginnt der Lichtstrahl in dem Ablenker an der ersten Fläche nach oben zu wandern, auf die er mit einem negativen Einfallswinkel (gegenüber einer

909829/0987

Fläehennorraalen) auftrifft. Dieses geht aus dem Fall hervor, der am Reflektor 32 dargestellt ist.

Die Figuren 5, 6 und 7 bilden die Grundlage für einen mathematischen Vergleich zwischen der erfindungsgemäßen Anordnung mit nicht-parallelen Reflektoren und Anordnungen nach dem Stand der Technik.

Die Figur 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, die der Anordnung nach Figur 2 ähnlich ist. Ein Lichtbündel mit dem Bündeldurchmesser W fällt auf ein Ablenkmedium der Dicke T unter einem Winkel A ein. Das Ablenkmedium ist an zwei Seiten mit reflektierenden Schichten versehen worden, die direkt auf den Seiten des Mediums abgeschieden worden sein können, nachdem das Ablenkmedium richtig zugeschnitten worden ist. Dadurch erreicht man, daß die reflektierenden Schichten richtig zueinander angeordnet werden. Die reflektierende Schicht 32 ist um einen Winkel B geneigt angeordnet worden, der kleiner als der Einfallswinkel A und gegenüber der Ebene der reflektierenden Schicht 30 positiv ist. Wie man der Figur 5 entnimmt, wird das Lichtbündel auf seinem Weg in dem Ablenkmedium nach unten viermal reflektiert, bevor*der Lichtstrahl wieder zurück nach oben wandert. Der nach oben wandernde Lichtstrahl ist dem nach unten laufenden Lichtstrahl überlagert. Der Einfachheit halber ist von dem Lichtbündel innerhalb des Ablenkmediums nur der obere Grenzstrahl gezeigt. Ebenso sind in den Figuren 5, 6 und 7» ebenfalls der Einfachheit halber, die Elektroden weggelassen worden.

Die gesamte optische Weglänge L., die der Lichtstrahl in dem Ablenkmedium der Anordnung nach Figur 5 zurücklegt, beträgt ohne Rücksicht auf die Orientierung der optischen Achse

L_A = 2NT. (1)

909829/0987

Hierbei gibt die Zahl N an, wie oft der Lichtstrahl das Material mit der Dicke T durchsetzt. Der Faktor 2 beruht darauf, daß der Lichtstrahl das Medium sowohl .bei seinem Weg nach unten als auch bei seinem Weg nach oben N Mal durchquert.'

Wenn man die Änderung der Dicke T vernachlässigt, die durch den Winkel B bedingt ist, und wenn man nicht berücksichtigt, daß der Bündeldurchmesser W für große Werte von A größer wird, gilt die folgende Beziehung: (Der Winkel A ist auf solche Werte beschränkt, bei denen der obere Randstrahl des' Lichtbündels nach der ersten Reflektion am Reflektor 30 innerhalb des Ablenkmediums verbleibt).

Tan A = W/2T oder A = Tan"¹W/2T (2)

Für den Abstand (W.) zwischen dem oberen Grenzstrahl des i-ten Bündels (irgendein herausgegriffenes reflektiertes Bündel) und dem oberen Grenzstrahl des i + ersten Bündel (dem anschliessend an dem gleichen Reflektor reflektierten Bündel) gilt folgender Ausdruck:

W₁ = T/2 Tan (A - iB) . (3)

Wenn sich iB dem Wert von A nähert, wird der Abstand zwischen den Strahlen auf dem Reflektor immer kleiner. Dadurch können sich die Bündel innerhalb des Ablenkmediums überlappen, so daß die Bündel im selben Teil des Ablenkmediums mehrere Male hin und her reflektiert werden·. Dadurch ist es möglich, pro Einheitsvolumen eine größere optische Weglänge zu erreichen.

Die gesamte Entfernung, die die oberen Grenzstrahlen der Bündel zurücklegen, bevor die Bündel zwischen den Reflektoren wieder nach oben wandern, beträgt: ^.

S =J[w. =XT/2 Tan (A - iB) (4)

909829/0987

Wenn A = iß wird, fällt das Bündel senkrecht auf den Reflektor 32 auf. Mit dem nächsten Durchgang beginnt dann das Lichtbündel zwischen den Reflektoren 30 und 32 wieder nach oben zu wandern.

In der Figur 6 ist schematisch die Lichtablenkvorrichtung dargestellt, die in der US-Patentschrift 3.295-912 beschrieben worden ist. Das Ablenkmedium ist zum Teil an zwei sich gegenüberliegenden Seiten mit parallel verlaufenden Reflektoren 38 und 39 versehen worden. Das Volumen des Afrlenkmediums nach Figur 6 ist genau so groß wie das Volumen des Ablenkmediums in der Anordnung nach Figur 5. Die Dicke des Ablenkmediums ist mit T und seine Höhe mit S bezeichnet worden. Es fällt ein Lichtbündel mit dem Durchmesser V/ ein. Wie aus der Figur 6 hervorgeht, kann das Lichtbündel das Ablenkmedium bei dieser Anordnung nur dreimal durchsetzen. Bei der Anordnung nach Figur 5 durchsetzt das Lichtbündel das Ablenkmedium dagegen auf dem Wege nach unten bereits viermal. Wiederum ist nur der obere Grenzstrahl des Bündels dargestellt worden, nachdem das Bündel in das Ablenkmedium eingetreten ist.

Um nun die erfindungsgemäßen Anordnungen mit den Anordnungen nach dem Stand der Technik besser vergleichen zu können, soll die Anordnung nach Figur 5 mit der Anordnung nach Figur 7 verglichen werden. Die Anordnung nach Figur 7 entspricht grundsätzlich der Anordnung nach Figur 6. Sie ist jedoch so abgewandelt worden, daß unter Verwendung des gleichen Volumens an Ablenkmedium, wie bei den Anordnungen nach den Figuren 5 und 6, vier Strahldurchgänge möglich sind.

In der Figur 7 fällt in ein Ablenkmedium der Dicke T und der Hohe S ein Lichtbündel mit dem Bündeldurchmesser W ein. Um das Ablenkmedium herum sind drei Umkehrprismen 40, 42 und 44 derart angeordnet, daß das einfallende Lichtbündel viermal durch das Ablenkmedium hindurchgehen kann, so daß sich die Ablenkungen

909829/0987

addieren. Nach dem Eintritt des Bündels in das Ablenkmedium ist der Einfachheit halber wieder nur der obere Grenzstrahl dargestellt. -

Die gesamte optische Weglänge L₁-,_s die ein Bündel mit dem

Bündeldurchmesser W ohne Rücksicht auf die Orientierung der optischen Achse des Ablenkmediums in einem Material mit den Abmessungen T, S in einer Anordnung nach Figur 7 zurücklegen kann, beträgt:

L_R = T S/W + S T/W = 2TS/W (5)

Aus den Gleichungen 1,2 und 5 kann man die folgende Beziehung ableiten:

L_A 2NTW 2NW
^{= s}

L~ ⁼ 2T3~ ^s T xJf

ti 9

Wenn N groß ist, gilt

Tan(A - iB) = /Tan(A - nA)dn = N/A χ log Cos A (7)

/-ο i

Unter Verwendung der Gleichung 2 und 6 kann man daher die folgende Beziehung aufstellen:

L_n 2 A Tan A
^Ά

L_R " log Cos A ^^o;

In der Figur 8 ist nun die Gleichung 8 gegenüber der Größe A aufgetragen. Diese graphische Darstellung zeigt, daß die Ablenkungen bei erfindungBgemäßen Anordnungen mit nicht-parallelen Reflektoren mindestens viermal größer sind als bei den bisher bekannten Lichtablenkvorrichtungen, und daß das Verhältnis der Ablenkungen mit größer werdendem A noch in gewissem Umfange ansteigt. Der Ablenkungsgewinn liegt in der Praxis je-

909829/0387

doch mehr in der Größenordnung von 8, da es bei einer Ablenkvorrichtung nach Figur 7 sehr schwierig ist, alle reflektierten Lichtwege senkrecht zur maximalen Änderung des Brechungsindex verlaufen zu lassen.

Dieser eben durchgeführte Vergleich zeigt deutlich, daß sich durch die Erfindung in einem Ablenkmedium von vorgegebenem Volumen eine größere optische Weglänge als bei bekannten optischen Ablenkvorrichtungen erzielen läßt. Dadurch wird auch eine höhere kumulative Ablenkung erreicht, und diese Verbesserung wird ohne Schwierigkeiten erzielt.

9098 2 9/0987

Claims

P at ent ansprü ehe:

1. Lichtablenkvorrichtung mit einem feldempfindlichen lichtdurchlässigen Ablenker, in der ein Lichtstrahl, der in den Ablenker unter einem Winkel A einfällt, kumulativ abgelenkt ist, wenn der Lichtstrahl mittels zweier Reflektoren -mehrere Male durch den Ablenker hindurch reflektiert ist, während an den Ablenker ein Feld angelegt ist₃ dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reflektor in Bezug auf den Ablenker in einer vorgegebenen Ebene angeordnet ist, daß der zweite Reflektor gegenüber der Ebene des ersten Reflektors

fc unter einem Winkel B angeordnet ist, und daß der Winkel B kleiner als der Winkel A ist, so daß ein in den Ablenker eintretender Lichtstrahl zwischen den Reflektoren viele Male hin und her reflektiert ist und dabei zuerst einen nach unten verlaufenden und anschließend einen nach oben verlaufenden Weg in dem Ablenker verfolgt, wodurch eine zusätzliche kumulative Ablenkung bedingt ist.

2. Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenker aus einem elektro-optisehen Medium mit zwei getrennten feldabhängigen Brechungsindices besteht.

)

3. Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektro-optische Medium aus zwei nebeneinander angeordneten elektro-optischen Kristallen zusammengesetzt ist, so daß auf jeder Seite des Mediums eine elektro-optische Kristalloberfläche vorhanden ist, daß jedes Kristall einen anderen Brechungsindex aufweist, die bei Vorhandensein eines Feldes in entgegengesetzten Richtungen verändert sind, daß die eine elektro-optische Fläche unter einem Winkel A durch einen Lichtstrahl bestrahlbar ist, und daß der eine Reflektor neben der einen elektro-optischen Kristallfläche und der andere Reflektor neben der anderen elektro-optischen Kristallfläche angeordnet ist.

909829/0987

4. Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reflektor neben der ersten elektro-optischen Kristallfläche und der zweite Reflektor neben der zweiten elektro-optischen Kristallfläche angeordnet ist.

5. Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflektoren ebene Spiegelflächen sind, daß der eine Reflektor praktisch parallel zur ersten elektro-optisehen Kristallfläche angeordnet ist und daß der zweite Reflektor gegenüber dem ersten Reflektor um einen positiven Winkel B geneigt angeordnet ist.

6. Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen als überzüge auf den beiden elektro-optischen Oberflächen ausgebildet sind.

909829/0987