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Anordnung zur steuerbaren Brennpunktverschiebung Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur steuerbaren Brennpunktverschiebung, mit der der Brennpunkt entweder
in Richtung der optischen Achse oder schräg dazu verschoben werden kann. In der
Technik der Datenverarbeitung, beispielsweise beim Einschreiben oder Auslesen optischer
Speicher, ist es oft erforderlich, den- Brennpunkt des einschreiberden oder auslesenden
Strahls in Richtung der optischen Achse mit großer Geschwindigkeit von Speicherebene
zu Speicherebene zu verschieben. Das gleiche Problem tritt auch in verschiedenen
anderen Anwendungsgebieten auf, beispielsweise bei der Herstellung dreidimensionaler
Hologramme, bei der automatischen Schalteinstellung von Mikroskopobjektiven und
bei der optischen Prüfung der Oberfläche schnell bewegter Bahnen. Die bisher bekannte
Lösung dieser Aufgabe durch mechanische Verstellung der Linsensysteme hat den Nachteil,
daß große Verstellkräfte erforderlich sind und daß die Verschiebung des Brennpunktes
nur relativ langsam durchgeführt werden kann.
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In der USA-Patentschrift 2 997 922 wird eine Anordnung zur Licht steuerung
beschrieben, bei der ein Lichtstrahl entweder eine Fläche ungestört durchsetzt
oder
an ihr total reflektiert wird. Die Steuerung der Totalreflexion erfolgt in bekannter
Weise durch ein Element gleichen oder annähernd gleichen Brechungsindexes, das steuerbar
an die totalreflektierende Fläche angelegt oder von ihr entfernt werden kann. In
der DAS 1 250 172 wird eine elektrooptsche Druckeinrichtung beschrieben, bei der
im Strahlengang einzeln oder in Kombinationen elektrisch ansteuerbare, in diskreten
Stufen wirkende, d. h.
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das Lichtstrahlenbündel in Abhängigkeit von ihrem Erregungszustand
in der ursprünglichen Richtung durchlassende oder um einen bestimmten Betrag je
Stufe ablenkende Mehrweglichtschalter angeordnet sind, die jeweils auf elektro-optischen,
die Polarisationsebene des sie durchsetzenden Lichtstrahls um 90° drehenden Elementen
und aus doppelbrechenden, das Licht als ordentlichen oder als außerordentlichen
Strahl weiterleitenden Elementen gebildet werden. Mit den beschriebenen Anordnungen
ist es möglich, einen Lichtstrahl in seiner Intensität zu modulieren oder seitlich
zu versetzen.
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Wird der zuletzt beschriebenen Anordnung ein konvergenter Lichtstrahl
zugeführt, so wird sein Brennpunkt durch Betätigung der lichtablenkenden Stufen
zwar nicht nur seitlich sondern, bedingt durch die beizen verschiedenen Versetzungszuständen
durchlaufenen unterschiedlichen Weglängen, auch um einen geringfügigen Betrag in
Fortpflanzungsrichtung des Strahl verschoben.
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Im Verhältnis zur seitlichen Versetzung ist die in Fortpflanzungsrichtung
erfolgende Verschiebung des Brennpunktes äußerst geringfügig. Darüberhinaus werden
für größere Verschiebungen des Brennpunktes in Fortpflanzungsrichtung solange Ablenker
erforderlich, daß diese Lösung, abgesehen von der gleichzeitig auftretenden starken
Seitenverschiebung auch schon aus Gründen des technischen Aufwandes nicht verwendbar
ist.
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Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Anordnung zur
steuerbaren Brennpunktverschiebung anzugeben, die bei geringem technischen Aufwand
und hoher Arbeitsgeschwindigkeit eine digital steuerbare Verschiebung des Brennpunktes
entweder nur in Fortpflanzungsrichtung des Strahls oder auch schräg dazu ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur steuerbaren
Brennpunktverschiebung gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen strahlung sdurchläs
sigen Körper mit mindestens einer totalr eflektier enden Fläche, die zur tfberleitung
eines Strahls in einen oder weitere mit totalreflektierenden Flächen versehene Körper
steuerbar durchlässig gemacht werden kann.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die totalreflektierenden Flächen der vom Strahl nach Durchlässigwerden einer
totalreflektierenden Fläche des ersten Körpers durchsetzten weitere Körper zwecks
Überleitung des Strahls in den jeweils nächsten Körper ebenfalls steuerbar durchlässig
gemacht werden können.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die totalreflektierenden Flächen der mit dem ersten Körper zusammenarbeitenden
weiteren Körper parallel zu der ihnen zugeordneten totalreflektierenden Fläche dieses
Körpers liegen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist der mit weiteren Brennkörpern mit reflektierenden oder totalreflektierenden
Flächen versehene Körper ein Prisma.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet
durch einen strahlungsdurchlässigen Körper oder durch mehrere miteinander verbundene
strahlungsdurchlässige Körper mit symmetrisch zueinander angeordneten reflektierenden
Flächen3 von denen wenigstens ein Teil zwecks Uberleitung eines Strahls in mit weiteren
totalreflektierenden oder reflektierenden Flächen versehene Körper steuerbar durchlässig
gemacht werden können.
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Eine weitere besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist schließlich dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Unterdrückung der
Totalreflexion
durch eine piezoelektrischen Elementen erzeugte Streckung oder Krümmung der an den
totalreflektierenden Flächen anliegenden Körper erfolgt.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine aus einem einzigen Prisma bestehende einstufige Anordnung zur Brennpunktverschiebung.
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Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Anordnung in einem anderen Steuerzustand.
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Fig. 3 eine Anordnung gemäß der Erfindung, zur ausschließlich in Fortpflanzung
5 richtung des Strahls erfolgenden Brennpunktverschiebung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht aus einem rechtwinkligen
Prisma 10 mit unter einem geraden Winkel angeordneten Flächen 11 und 12 und einer
Hypotenusen-Fläche 13, auf die der die Fläche 11 durchsetzende Strahl 14 fällt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird der Strahl 14 an der Hypotenusen-Fläche 13 reflektiert,
wenn der Spalt 15 entweder mit Luft oder mit einem anderen Material von wesentlich
geringerem Brechungsindex ausgefüllt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird
angenommen, daß das Prisma entweder von Luft oder von Vakuum umgeben ist. Wegen
der an der Fläche 13 erfolgenden Totalreflexion wird der Strahl 14 vollständig reflektiert
und durchsetzt das Prisma als Strahl 14a um im Brennpunkt 16 fokussiert zu werden.
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An der Hypotenusen-Fläche 13 des Prismas ist ein weiteres lichtdurchlässiges
Element 18 angeordnet, das die Hypotenusen-Fläche im Bereich des Siuftreffpunktes
des Strahls 14 berührt. Der Kontakt der Fläche 19 mit der
Fläche
13 hat zur Folge, daß beiderseits der Fläche 13 Substanzen mit annähernd gleichem
Brechungsindex vorhanden sind. Das hat zur Folge, daß an der Fläche 13 nunmehr keine
Totalreflexion auftritt, so daß der Strahl, wie aus Fig. 1 ersichtlich, das Prisma
als Strahl 14b durchsetzt um im Punkt 16a fokussiert zu werden. In diesem Fall wird
der Strahl 14 nach seinem Durchtritt durch die nunmehr nicht mehr totalreflektierende
Fläche 13 an der Fläche 20 reflektiert. Die Fläche 20 kann entweder mit einem spiegelnden
Belag 21 überzogen oder totalreflektierend sein. Die Brennpunkte 16 und 16a weisen
einen seitlichen Abstand von D und einen Abstand in Fortpflanzungsrichtung des Strahls
von F auf. Diese Abstände sind eine Funktion des Lichtweges, den der Strahl zwischen
den Flächen 13 und 20 durchläuft.
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Durch Veränderung der Dicke der Platte 18 können auch die genannten
Abstände verändert werden. Aus dem bisher Gesagten ergibt sich, daß durch Entfernung
der Platte 20 von der Fläche 13 diese Fläche wieder totalreflektierend wird, so
daß der Strahl 14 wieder im Punkt 16 fokussiert wird. Die Platte 20 ist mit einem
piezoelektrischen Element 22 verbunden, an das über die Klemmen 24 ein elektrisches
Signal gelegt werden kann. Bekanntlich dehnt sich ein piezoelektrisches Element
aus, wenn zwischen die Flächen 22a und 22b eine elektrische Spannung gelegt wird,
Da das piezoelektrische Element 22 mit der Platte 18 fest verbunden ist, biegt sich
die Platte 18 bei Anlegung eines elektrischen Signals in der in Fig, 2 dargestellten
Weise durch0 Das hat zur Folge, daß die Fläche 19 im Bereich des Auftreffens des
Strahles 14 von der Fläche 13 entfernt wird, so daß an dieser Fläche Totalreflexion
auftreten kann. Es hat sich gezeigt, daß beim Anlegen einer Spannung von nur wenigen
hundert Volt an die Klemmen 24 die Fläche 19 um einige My von der Fläche 13 abgehoben
wird. Da diese Entfernung mehrere Wellenlängen umfaßt, wird die Unterdrückung der
Totalreflexion auf diese Weise mit Sicherheit aufgehoben. Da die Ansprechzeit von
piezoelektrischen Elementen äußerst kurz ist, kann dieser Vorgang in wenigen Mikrosekunden
bewirkt werden0 Durch Bewegung der Platte 18 aus der in Fig. 1 dargestellten in
die in Fig. 2 dargestellte Lage und zurück wird der Brennpunkt des Strahles 14 vom
Punkt 16a zum Punkt 16 und umgekehrt verschoben. Werden
mehrere,
jeweils auf- einer Platte 18 und einem piezoelektrischen Element 22 bestehende Einheiten
übereinander angeordnet, so kann der Brennpunkt durch Ansteuerung einzelner oder
bestimmter Kombinationen von Piezo-Elementen schrittweise digital um mehrere Entfernungen
verschoben werden0 Wird die ganze Anordnung im Vakuum untergebracht, so läßt sich
die Arbeitsgeschwindigkeit der Anordnung erhöhen, da das Vorhandensein von Luft
die Bewegung der Platte 18 dämpft. Der Kontakt zwischen den beiden Platten wird
weiterhin durch die molekulare Anziehung der beiden Materialien erhöht. Zur weiteren
Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit können zur Krümmung und Streckung der Platte
18 elektrische Signale entgegengesetzter Polarität verwendet werden0 Die in Fig.
3 dargestellte Anordnung besteht aus den die totalreflektierenden Flächen 29 und
30 aufweisende Prismen, die miteinander verbunden sind und weitere totalreflektierende
Flächen 29a und 30a aufweisen. An diesen Flächen sind, wie im Zusammenhang mit den
Fig. 1 und 2 beschrieben, aus durchsichtigem Material bestehende Platten 27 und
28 angeordnet, die mit Hilfe der mit ihnen fest verbundenen piezoelektrischen Elemente
27b und 28b und durch Anlegen elektrischer Signale gekrümmt werden können. Die Platten
27 und 28 weisen fernerhin die reflektierenden Flächen 27a und 28a auf. Es ist auch
möglich, mehrere jeweils aus Platten 27 und 28 und piezoelektrischen Elementen 27b
und 28b bestehende Einheiten übereinander anzuordnen, so daß mehr als zwei Wege
für den Strahl 26 definiert werden können, Sind die Platten 27 und 28 nicht in Kontakt
mit den Prismenflächen, so wird der Strahl 26 die beiden Prismen auf dem durch eine
ausgezogene Linie 26a eingezeichneten Weg durchsetzen, Werden die Platten 27 und
28 jedoch in Kontakt mit den Prismenflächen gebracht, so durchsetzt der Strahl 26
die beiden Prismen entlang des durch die gestrichelten Linie 26b eingezeichneten
Wege. Da die Wege 26a und 26b verschiedene Längen haben, wird der Brennpunkt des
Strahles vom Punkt F1 zum Punkt F2 verschoben. In beiden Fällen verläßt der Strahl
das Prisma auf dem gleichen Weg, wird jedoch in verschiedenen auf diesem Wege liegenden
Punkten fokussiert Die Anzahl der möglichen Verschiebungen kann durch Erhöhung der
Anzahl der Prismen und der ihren totalreflektierenden
Flächen zugeordneten
steuerbaren Platten erhöht werden0