DE1806763C3

DE1806763C3 - Vorrichtung zur steuerbaren Veränderung der Lage von Lichtstrahlen

Info

Publication number: DE1806763C3
Application number: DE1806763A
Authority: DE
Inventors: Melbourne Edward Saratoga Calif. Rabedeau (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-11-06
Filing date: 1968-11-02
Publication date: 1975-08-28
Also published as: DE1806763A1; GB1215209A; CH474771A; US3514183A; SE355275B; NL160091C; NL6814639A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur steuerbaren Veränderung der Lage von Lichtstrahlen quer zur Strahlrichtung oder der Brennpunktlage in Strahlrichtung mit mehreren hintereinander angeordneten Ablenkstufen, in denen der Strahl wahlweise steuerbar jeweils an einer von zwei h/ntereinanderiiegenden Flächen reflektiert wird.

Auf vielen Gebieten der Technik, insbesondere aber auf Jem Gebiet der Verarbeitung und Speicherung von Daten, ist es in vielen Fällen erforderlich, sowohl die Lage und Richtung eines Lichtstrahles aus auch die Lage seines Brennpunktes steuerbar zu verschieben. Derartige al^r Lichtablenker bezeichnete Vorrichtungen werden beispielsweise bei der Materialbearbeitung durch Laserstrahlen, bei optischen Druckern, bei der Projektion von graphischen Darstellungen, zur Belichtung von Photolackschichten bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen und zum Einlesen und Auslesen von optischen Speichern verwendet. Insbesondere bei den zuletzt genannten beiden Anwendungsgebieten ist es in den meisten Fällen erforderlich, den Strahl mit einer Genauigkeit von Bruchteilen von μπ> einzustellen. Aus diesem Grunde scheiden Analogablenker. also beispielsweise Ablenker mit bewegten reflektierenden Flächen, oder sogenannte, aus Kathodenstrahlröhren bestehende Lichtpunktgeneratoren in den meisten Fällen wegen ihrer zu geringen Genauigkeit und Zuverlässigkeit aus. Darüber hinaus können die heute bei den meisten Anwendungen erforderlichen Ablenkgeschwindigkeiten mit den genannten Vorrichtungen bei weitem nicht erreicht werden.

In der englischen Patentschrift 4 71747 wird ein Lichtverschluß beschrieben, bei dem einen doppelbrechenden Körper durchsetzende, linear polarisierte Lichtstrahlen durch steuerbare Drehung ihrer Polarisationsebene wahlweise auf einen undurchsichtigen, ihre Weiterleitung verhindernden oder auf einen durchsichtigen oder eine öffnung aufweisenden, also ihre Weiterleitung ermöglichenden Bereich einer Blende gerichtet werden. In der USA.-Patentschrift 29 97 922 wird ein aus zwei rechtwinkligen Prismen mit einander gegenüberliegenden Hypotenusen bestehender Lichtverschluß beschrieben, bei dem der zu steuernde Lichtstrahl durch steuerbare Unterdrückung der Totalreflexion durch Veränderung des wirksamen Hypotenusenabstandes entweder auf eine seine Weiterleitung unterdrückende Blende oder auf ein seine Weiterleitung ermöglichendes Austrittsfenster gerichtet wird. Eine Anweisung zum Bau einer digitalen, extrem schnell arbeitenden Vorrichtung zur steuerbaren Ablenkung eines Lichtstrahls auf eine Vielzahl von diskreten Stelien ist in den beiden obengenannten Literaturstellen nicht enthalten. Darüber hinaus wäre es, insbesondere mit den in den zuletzt genannten Literaturstellen beschriebenen Vorrichtungen, wegen der Größe der bei jedem Schaltvorgang zu bewegenden Massen nicht möglich,

hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen.

in der Uteraturstelle »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 6, Nr. 5, Oktober 63, S 32 bis 34, wird eine Vorrichtung zur steuerbaren Ablenkung eines Lichtstrahls auf eine Vielzahl von diskreten Wegen oder Stellen beschrieben, die aus einer Vielzahl von elektrooptischen Anordnungen zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahles und jeweils dahintergeschalteten doppelbrechenden Kristallen besteht Durch unterschiedliche Erregung der Vorrichtungen zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene wird der Strahl die Anordnung auf jeweils einem von einer Vielzahl von möglichen diskreten Wegen verlassen, da er an den totalreflektierenden äußeren Flächen der einzelnen doppelbrechen- den Kristalle als Funktion seiner Winkellage jeweils einen von zwei verschiedenen kritischen Totalreflexionswinkeln vorfindet In der britischen Patentschrift 9 76 610 wird eine ähnliche elektrooptische Vorrichtung beschrieben, bei der ein steuerbar digital abzulenkender linear polarisierter Strahl eine Reihe von Anordnungen zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene um jeweils 90° und von doppelbrechenden Kristallen durchsetzt Je nach dem Erregungszustand der Gesamtheit der obengenannten Vorrichtungen zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene um jeweils 90° verläßt der steuerbar abzulenkende Strahl die Vorrichtung jeweils auf einem von einer Vielzahl von möglichen Wegen, deren Lage ausschließlich durch die Eigenschaften der doppelbrechenden Kristalle sowie durch deren Abmessungen definiert ist. Die beiden zuletzt genannten Literaturstellen betreffen Lichtablenker, bei denen bei großer Genauigkeit der Ablenkung extrem hohe Ablenkgeschwindigkeiten möglich sind. Der konstruktive Aufwand und der zur Energieversorgung erforderli- ehe Aufwand sind aber so groß, daß die Anwendbarkeit derartiger Vorrichtungen auf wenige Fälle beschränkt bleiben muß. In diesem Zusammenhang sei nur auf die Tatsache hingewiesen, daß die Vorrichtungen zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene Kondensatoren darstellen, die Schaltspannungen in der Größenordnung von 3000VoIt benötigen. Derartige Ablenkfrequenzen bis in den Megehertz-Bereich ermöglichende Vorrichtungen sind angesichts der durch die vorliegende Erfindung beschriebenen Vorrichtung bei Anwendungen mit Ablenkfrequenzen in der Größenordnung von 1 bis 10 kHz nicht als wirtschaftlich zu betrachten.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung zur steuerbaren Veränderung der Lage oder der Länge von Lichtstrahlen um tine Vielzahl von diskreten Beträgen anzugeben, die bei geringem technischem Aufwand und genauester Beibehaltung der Ablenkbeträge relativ hohe Ablenkfrequenzen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst.

Da die zur Steuerung des Lichtstrahls erforderlichen Elemente sehr klein und leicht ausgebildet sein können und die Steuerbewegungen nur wenige Wellenlängen des zu steuernden Lichtes betragen, kann die Ablenkung des Lichtstrahls bei relativ großen Ablenkgeschwindigkeiten, die beispielsweise in der Größenordnung von 10 000 Hz liegen können, mit sehr kleinem Energiebedarf durchgeführt werden. Da der Lichtstrahl durch elektrische Signale mit relativ kleiner Energie schnell und genau auf vorgewählte Stellen eingestellt werden kann, eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere zur Verwendung bei optischen Speichern, bei denen die Informationen auf mehreren in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Ebenen angeordnet sind. Zur Auswahl eines bestimmten Speicherbereichs wird der Strahl parallel zu sich selbst verschoben, während zur Auswahl einer bestimmten Speicherebene die Brennweite des Strahls verändert wird. Die zuletzt genannte Maßnahme ist insbesondere bei optischen Speichern mit hoher Speicherdichte von großer Wichtigkeit, da nur mit konvergenten Strahlen der zum zerstörungsfreien Einschreiben oder Auslesen erforderliche kleine Strahldurchmesser in der jeweils einzuschreibenden oder auszulesenden Speicherebene gewährleistet werden kann. Mit allen bisher bekannten Lichtablenkern ist die Einstellung der Brennweite des abtastenden Strahls entweder überhaupt nicht oder nur mit sehr großem technischem Aufwand möglich. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

F i g. 1 eine einstufige Vorrichtung zur digitalen Ablenkung eines Lichtstrahls,

F i g. 2 die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung im erregten Zustand, wobei der austretende Lichtstrahl eine zweite, in bezug auf die Lage des Lichtstrahls im unerregten Zustand der Vorrichtung seitlich versetzte Lage einnimmt.

F i g. 3 eine mehrstufige Ablenkvorrichtung zur digitalen Verschiebung des Ausgangsstrahls in 16 mögliche Lagen mit gleichen gegenseitigen Abständen,

F i g. 4 eine mehrstufige Ablenkvorrichtung, bei der die optischen Weglängen gleich sind,

F i g. 5 eine Vorrichtung zur Steuerung der Länge eines Lichtstrahls mittels durch elektrische Signale steuerbaren Einstellung des Brennpunktes.

Das Prinzip der Totalreflexion ist in der Optik allgemein bekannt. Dabei erfolgt eine nahezu vollkommene Reflexion eines Lichtstrahles an der Grenzfläche des optisch dichteren Mediums, wenn der in einem Material mit einem höheren Brechungsindex laufende Strahl von einer Fläche aufgefangen wird, die an ein optisch dünneres Material mit niedrigerem Brechungsindex angrenzt. Solange der Einfallswinkel der auf die Grenzfläche auf treffenden Lichtstrahlen den kritischen Winkel übersteigt, erfolgt eine Totalreflexion an dieser Fläche. Wenn beispielsweise ein von Luft umgebenes rechtwinkeliges Prisma auf einer der beiden Kathetenflächen von einem Lichtstrahl getroffen wird, so wird dieses Licht im Innern des Prismas fast vollständig reflektiert, wenn es die Grenzfläche der Hypotenusenseite erreicht. Es ist weiterhin bekannt daß dieses Prinzip auch noch zutrifft, wenn ein dünner Luftfilm oder Vakuumfilm an der Hypotenusenfläche vorhander ist, der mindestens eine Wellenlänge dick ist. Wenn jedoch ein optisch dichtes Medium wie eine Glasplatte an die Hypotenusenfläche angelegt wird (wodurch das Glas die Luft oder das Vakuum als angrenzende; Medium ersetzt), wird der Brechungsindex auf beider Seiten der Grenzfläche ungefähr gleich, und das die Hypotenusenfläche von der Innenseite des Prisma; treffende Licht dringt in die zweite Glasplatte ein Dieses Prinzip wird in der USA-Patentschrift 29 97 92; angewandt. In diesem Patent wird ein Lichtventi gezeigt, in welchem Licht entweder durch Totalrefle xion an der Hypotenusenfläche in das Prisma zurückge worfen wird oder durch eine angelegte zweitt Glasplatte in eine Richtung vom Prisma wegfällt, wem

diese Glasplatte in Berührung mit der Hypotenusenfläche des Prismas gebracht wird.

In Fig.1 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, das das Prinzip der schaltbaren Totalreflexion verwendet. Ein erstes lichtdurchlässiges Glied in Form eines rechtwinkeligen Prismas 10 mit den Kathetenflächen 11 und 12 und der Hypotenusenfläche 13 ist so angeordnet, daß es einen Lichtstrahl 14 durch die Fläche U empfängt. Wie in Fig.2 dargestellt und oben in der Beschreibung des Standes der Technik erläutert ist, wird der Lichtstrahl 14 von der Hypotenusenfläche 13 total reflektiert, wenn Luft oder ein anderes Material mit einem wesentlich niedrigeren Brechungsindex im Raum 15 außerhalb der Hypotenusenfläche vorhanden ist, auf die der Strahl von innen her auftrifft. In dem zu beschreibenden Beispiel ist das Prisma von Luft oder Vakuum umgeben. Andere Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen können jedoch ebenfalls benutzt werden. Wenn keine anderen Bedingungen vorliegen, wird somit das Licht fast vollständig entlang einer ersten Bahn 14a ( F i g. 1 und 2) durch das Prisma reflektiert, und es ergibt sich ein Strahl, der beispielsweise auf den Brennpunkt 16 fokussiert ist. Die Reflexion des Lichtes erfolgt nach dem beschriebenen Prinzip der Totalreflexion, die auftritt, weil der Einfallswinkel des Lichtes den Grenzwinkel der Totalreflexion für das Prismenmaterial übersteigt.

Außerhalb der Hypotenusenfläche 13 des Prismas befindet sich ein zweites lichtdurchlässiges Glied in Form einer Glasplatte 18, welche die Hypotenusenfläche am Schnittpunkt mit dem Lichtstrahl 14 berührt. Wenn die Oberfläche 19 der Glasplatte 18 mit der Hypotenusenfläche des Prismas in enger Berührung steht, ist für die Hypotenusenfläche als Grenzfläche der externe Brechungsindex nicht wesentlich verschieden von den Brechungsindex innerhalb des Prismas, und es tritt deshalb dort keine Totalreflexion mehr auf. Daher läuft der Strahl aus dem Prisma entlang der in Fig.1 gezeigten Bahn 14cheraus und in die Glasplatte hinein.

In der beschriebenen Einrichtung ist ein Lichtablenkungssystem vorgesehen, in dem eine Fläche 20 der Glasplatte 18 so reflektierend gestaltet ist, daß bei Auftreffen des Strahles 14 bzw. 14c auf diese Fläche der Strahl entlang der Bahn 146 zurückgeworfen wird. Wie in Fig.1 gezeigt, ermöglicht diese Reflexion des Strahles eine schrittweise, d.h. digitale Verschiebung des Strahlenweges um eine Strecke D mit Hilfe der Platte 18. Die reflektierende Oberfläche 20 kann durch Oberziehen der Räche mit einem Reflexbelag 21 gebildet werden, wie es in den Zeichnungen dargestellt ist Andererseits kann auch hier das Prinzip der Totalreflexion ausgenutzt werden.

Aus der Darstellung in F i g. 1 ist zu ersehen, daß der Strahl entlang der Bahn 146 reflektiert wird und wegen der ähnlichen Brechzahlen der Platte 18 und des rechtwinkeligen Prismas 10 das Licht wieder vom Prisma aus der Fläche 12 nun auf einer, anderen Brennpunkt 16a außerhalb des Prismas fokussiert wird. Somit wird die Lage des Strahles aus der ursprünglichen Bahn 14a um eine Strecke D verschoben, wobei diese Strecke abhängig von der optischen Weglänge ist während der Strahl durch die Hypotenusenfläche 13 des Prismas und die reflektierende Fläche 20 der Glasplatte 18 tritt Durch Veränderung der Dicke der Glasplatte 18 läßt sich daher diese Strecke D ändern. Aus dem Gesagten geht hervor, daß durch Bewegen des Teiles der Glasplatte 18, der dem Schnittpunkt des Lichtstrahles 14 mit der Hypotenusenfläche 13 benachbart ist, von der Hypotenusenfläche weg um eine Strecke, die nur ungefähr eine Wellenlänge oder auch größer ist, der Strahl bereits entlang der Bahn 14a reflektiert wird.

Bringt man die Glasplatte 18 mit der Hypotenusenfläche 13 am Schnittpunkt mit dem Strahl 14 in engere Berührung, so läuft der Strahl in die Glasplatte hinein, und danach wird er gemäß der Darstellung in den Zeichnungen entlang der Bahn 146 durch die Fläche 20

ίο zurückgeworfen.

Zur Betätigung des Lichtablenksystems wird die Platte 18 von einer an der Hypotenusenfläche des rechtwinkeligen Prismas 10 angrenzenden Lage in einen gewissen Abstand vom Prisma 10 gebracht, und zwar

is durch ein elektrisches Signal, das ein an der reflektierenden Seite der Platte 18 befestigtes piezoelektrisches Element 22 erregt. Die reflektierende Seite der Platte 18 ist diejenige Seite, die der an die Hypotenusenfläche 13 des rechtwinkeligen Prismas anstoßenden Seite gegenüberliegt. Es ist allgemein bekannt, daß ein solches piezoelektrisches Element 22 sich z. B. ausdehnt, wenn es einer elektrischen Spannung ausgesetzt wird zwischen seinen Flächen 22a und 226, die dazu mit Anschlüssen 24 versehen sind. Die sich ergebende sehr kleine Ausdehnung des Elementes relativ zur Platte in einer Richtung parallel zur reflektierenden Oberfläche 21 biegt die Platte von der Oberfläche 13 in der in Fig. 2 übertrieben vergrößert dargestellten Art hinweg, da das Element an der Rückseite der Platte starr befestigt ist Durch dieses Durchbiegen bewegt sich der Mittelabschnitt der Platte von dem Teil der Hypotenusenfläche hinweg, auf welche der Strahl 14 auftrifft. Es wurde festgestellt, daß eine Spannung von nur wenigen 10OVoIt an den Klemmen 24 zu einer Bewegung des Mittelteiles der Platte 18 um ein Mikron von der Hypotenusenfläche hinweg führt, wobei das tatsächliche Ausmaß dieser Bewegung von der Gesamtgröße der Platte und des Elementes abhängt.

Die Betätigungszeit für die Platte beträgt nur einige Mikrosekunden, da das piezoelektrische Element schnell reagiert, und somit kann der Strahl schnell umgeschaltet werden. Mit der Bewegung der Platte 18 zwischen den beiden in den Fig.1 und 2 übertrieben gezeigten Positionen ändert sich der Strahl-Reflexionsweg von 146 nach 14a, und die Lage des Strahles wird somit in schneller Ansprache auf ein elektrisches Spannungssignal an den Klemmen 24 digital verschoben.
Nach einem anderen Gesichtspunkt empfiehlt es sich,

so den Raum zwischen der Platte 18 und dem Prisma 10 mindestens teilweise zu evakuieren, um die Betätigung der Platte 18 zu beschleunigen. Die Erfahrung hat gezeigt daß Luft in diesem Zwischenraum die Bewegung der Platte zurück in Kontakt mit der Fläche 13 stark bremst da die Luft aus diesem Zwischenraum entweichen muß, bevor die beiden Flächen sich berühren können. Die Evakuierung der Luft gestattet ein schnelles Zusammentreffen der beiden Rächen, da diese Aktion weiterhin auch durch die Molekularanzie hung des Glases unterstützt wird. Um die Bewegung der Platte für die Berührung mit dem Prisma weiter zu beschleunigen, kann eine umgekehrt gerichtete Spannung zwischen die Elementenflächen 22a und 226 angelegt werden, um das Element zu einer schnelleren

*5 Zusammenziehung zu veranlassen und die Platte in die in Fig.1 gezeigte ebene Stellung zurückzubringen.

In Fig.3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, in dem ein Strahl wahlweise auf eine

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von 16 Positionen verschoben werden kann. Der Strahl 29 läuft hier durch ein Prisma 30 mit den Platten 25, 26, 27 und 28, die an den Außenflächen an den Stellen angeordnet sind, auf die der Strahl 29 bei der Reflexion innerhalb des Prismas normalerweise auftrifft. Jede der Platten hat entsprechende Reflexionsflächen 25a. 26a. 27a und 28a auf der planen Seite gegenüber der Seite, die an der Prismenfläche anliegt, und je ein entsprechendes piezoelektrisches Element 256, 266.276 und 286 ist daran befestigt. Wie durch die durchgezogenen und gestrichelten Linien der Lagen des Strahles 29 angedeutet ist, gibt die Verwendung von vier Reflexionsplatten mit in Zweierpotenzen ansteigenden Dicken, welche Platten an den Schnittpunkten der Prismenfläche mit dem Strahl angeordnet sind, die Möglichkeit, den Strahl auf jede von 2⁴ = 16 Positionen (über den Bereich 31) zu verschieben, wenn er aus dem Prisma durch die Fläche 30a austritt.

Durch einzelne oder kollektive Erregung der entsprechenden Kombination von Reflexionsplatten, um den Strahl entweder von der Fläche des Prismas oder von der Reflexionsfläche einer angrenzenden Platte zu reflektieren, kann der Strahl wahlweise auf die 16 Positionen in dem Bereich 31 gelegt werden. Jede Strecke, um die der Strahl seitlich verschoben wird, ist eine Funktion der Dicke T der beteiligten Reflexionsplatte oder -platten. Jede Platte ist dicker als die nächstdünnere Platte, so daß die Länge des Lichtweges von der angrenzenden Prismenfläche zur Reflexionsfläche um ein Vielfaches, z. B. 2, größer ist als der Refiexionsweg der nächstdünneren Platte. Auf diese Weise kann mit einem Minimum an Platten ein gleicher digitaler Abstand zwischen den zu erregenden Strahlenlagen erzielt werden. Die Platten können an sich durch jede geeignete Einrichtung bewegt werden. Das in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 beschriebene Verfahren der Verwendung von piezoelektrischen Elementen erwies sich jedoch als besonders geeignet. Die Gesamtzahl von Lagen, in die der Strahl abgelenkt werden kann, errechnet sich durch die Formel 2", wobei η die Anzahl der zu betätigenden Reflexionsplatten ist, die den Strahl an der Prismenoberfläche aufnehmen. Obwohl in den Zeichnungen die Ablenkung des Strahles in nur einer Ebene erfolgt, läßt sich eine ähnlich gesteuerte Ablenkung des Strahles in anderen Ebenen durch entsprechende Anordnung der Prismenflächen, die der Strahl schneidet, erreichen.

In Fig.4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in welchem der Strahl digital abgelenkt werden kann, wobei jedoch die Länge der Strahlenbahn für jede der zu erregenden Strahlenlagen, die über den Bereich 40 verteilt sind, dieselbe ist. In dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel verändert die Lage des Brennpunktes auch den Abstand F für eine Ablenkungsstufe abhängig von der Dicke der reflektierenden Platte, da der Strahlenweg im transparenten Medium verlängert wird, wenn der Strahl die reflektierende Platte trifft. In F i g. 1 ändert sich z. B. der Abstand F, gemessen senkrech« mr Pnsmenfläche IZ wenn die Lage der S;: - L-iiiahn sich vom Brennpunkt 16 zum Brennpunkt 16a ändert Um die optischen Weglängen gleichzuhalten, arbeiten im Beispiel nach Fig.4 mehrere Parallelogrammprismen 41, 42, 44 und 45 ( Fig.4) in ähnlicher Weise zusammen wie die in F i g. 3 ge; eigten Prismen zur Erzielung einer im Inneren gelegenen Strahlenbahn, jedes der Prismen ist darstellungsgemäß mit mehreren Reflexionsplatten 46 bis 52 und 54 verbunden. |ede dieser Reflexionsplatten hat eine Reflexionsfläche 56 und in Form eines piezoelektrischer Elementes einen Betätiger 55. Damit werden die Platten wie oben beschrieben in und außer Kontakt mit der anliegenden Prismenfläche gebracht.
S Die reflektierenden Platten liegen paarweise in gleich langen Strahlenbahnen. In dem in Fig.4 gezeigten Ausführungsbeispiel haben z. B. die Platten 46 und 49 dieselbe Dicke, ebenso die Platten 47 und 48,50 und 52 oder 51 und 54. Jedes Plattenpaar wird abwechselnd erregt, d. h„ wenn z. B. die Platte 46 für die erste an der Prismenfläche anliegende Position erregt ist, wird die Platte 49 in die zweite von der Prismenfläche entfernte Lage gebracht. Platten und Prismen sind so angeordnet, daß bei Vergrößerung der Bahnlänge durch eine Platte die andere Platte des Paares die Strahlenbahnlänge um das gleiche Ausmaß verkürzt. So trifft der ausgezogen dargestellte Strahl 61, der durch die erste Platte des Paares 46, 49 abgelenkt wird, die Prismenfläche 63 an der zweiten Glasplatte in einem Punkt P, der vor dem Punkt Q liegt, an welchem der gestrichelt dargestellte nicht abgelenkte Strahl 62 die Prismenfläche 63 schneidet. Diese geometrische Forderung erfüllt man durch die Anordnung der beiden Platten eines Paares an den reflektierenden Prismenflächen so, daß sie winkelmäßig voneinander um den doppelten Einfallswinkel 64 getrennt sind, unter welchem der Strahl auf die Prismenfläche auftrifft, an der die erste Platte befestigt ist. Wenn der abgelenkte Strahl durch die Prismenfläche bei P vor dem Schnittpunkt Q des nicht abgelenkten Strahles reflektiert wird und der nicht abgelenkte Strahl auf die zweite Platte des Paares trifft und an der Rückseite der Platte reflektiert wird, ist die seitliche Verschiebung des Strahles doppelt so groß wie die nur von der ersten Platte erzeugte Verschiebung. Somit wird der Strahl beim Durchlauf des Systems immer nur durch eine von zwei Platten eines Paares abgelenkt und hat deshalb immer die gleiche Bahnlänge. Obwohl die Platten in gleicher Dicke dargestellt sind, braucht nur dafür gesorgt zu werden, daß die Strahlenbahnlänge durch alle Platten dieselbe ist. So können z. B. auch mehr als zwei Platten abwechselnd betätigt werden, um dieselben Ergebnisse zu erzielen, solange nur die Bahnlänge durch jeden der abwechselnd betätigten Plattensätze gleich ist.

Die gleiche Bahnlänge ergibt sich in dem gezeigten Beispiel aus dem Umstand, daß jeweils eine Platte eines Paares an einer »Hypotenusenfläche« des zentralen Prismas anliegt und so die Bahnlänge des Strahles erhöht, während die andere Platte gleicher Dicke von der zugehörigen Hypotenusenfläche weg bewegt wird und so die Bahnlänge um da» gleiche Ausmaß reduziert, wie sie vorher erhöht wurde. Somit liegt der Brennpunkt 59 immer in der Ebene 60, nachdem diese Fokussierung einmal erreicht wurde Die genannte

SS Ebene kann z. B. der Lage eires Speicherelementes oder eines anderen Zieles entsprechen, auf das der Strahl gerichtet ist Durch VerweTdung der beiden Platten eines Paares wird die Strecke, um die die Strahlenbahn seitlich verschoben wird, natürlich doppelt so groß wie

te die durch Betätigung nur emer Platte gleicher Dicke normalerweise erreichte Verschiebung.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strahl-Fokussierungsmechanismus ist in Fig.5 gezeigt, wo der Brennpunkt des Strahles 66 zwischen den Punkten Λ and ti in Strahlrichtung verschoben werden kann durch Ändern der Bahnfange des Strahles innerhalb eines Übertragungsmedtums. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird dies durch Betätigen der Reflexionsolatten

67 und 68 erreicht, die an den Prismen 69 bzw. 70 angeordnet sind. Der Brennpunkt des Strahles bzw. schmalen konvergenten Strahlenbündels wird verschoben, indem man die Bahnlänge in dem transparenten Medium, den Prismen 69 und 70, in der Art verändert, daß der Strahl immer von der letzten reflektierenden Fläche des Prismas entlang derselben Bahn zum Verlassen des Prismas 70 an derselben Stelle geleitet wird. Die Reflexionsplatten 67 und 68 enthalten beide eine entsprechende Reflexionsfläche 674 und 68a mit einem daran befestigten piezoelektrischen Element 676 und 686, das genauso funktioniert, wie es in den vorigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde. Durch Anlegen einer Spannung an die Elemente kann die Durchbiegung der Platten von den Prismen 69 und 70 weg am Auftreffpunkt des Strahles erreicht werden, um den Strahlenweg entsprechend zu verändern. Die Reflexionsplatten können gruppenweise betätigt wer den, um die Strahlenbahnlänge zu verändern und den Strahl auf demselben Ausgangsweg zu halten.

Wenn z. B. beide Platten 67 und 68 von den anliegenden Prismenflächen weg bewegt werden, folgt der Strahl der durchgezogenen Linie 66a durch die Prismen 69 und 70 und kann im Brennpunkt A fokussiert werden. Wenn die Platten 67 und 68 jedoch die benachbarten Prismenflächen berühren, tritt der Strahl in die Platten ein und läuft entlang der gestrichelten Line SSb zur Fokussierung im Brennpunkt fl. In beiden Fällen wird der Strahl so gesteuert, daß er das Prisma über denselben Weg verläßt, jedoch auf einem anderen Punkt der Bahn fokussiert wird. Durch Einbau weiterer Prismen und Reflexionsplatten lassen sich natürlich noch mehr Brennpunkte erreichen. Auf diese Weise läßt sich die Fokussierung des Strahles durch elektrische Signale steuern, die auf die piezoelektrischen Elemente an den Reflexionsplatten gegeben werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur steuerbaren Veränderung der Lage von Lichtstrahlen quer zur Strahlrichtung oder der Brennpunktlage in Strahlrichtung mit mehreren hintereinander angeordneten Ablenkstufen, in denen der Strahl wahlweise steuerbar jeweils an einer von zwei hintereinanderliegenden Flächen reflektiert wird, gekennzeichnet durch einen mindestens eine totalreflektierende Fläche aufweisenden Körper und durch mehrere durchsichtige, an den dem erstgenannten Körper gegenüberliegenden Seiten reflektierende oder totalreflektierende Flächen aufweisende plattenförmige Körper, die steuerbar aus einer ersten, die Totalreflexion im erstgenannten Körper störenden, in eine zweite, die Totalreflexion nicht störende Lage verbringbar sind, derart, daß in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage der einzelne.! bewegbaren Körper die Reflexion des zu steuernden Lichtstrahls im Bereich jedes Körpers jeweils an einer von zwei Flächen und somit seine Weiterleitung auf jeweils einem von zwei Wegen erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erstgenannte, eine oder mehrere totalreflektierende Flächen aufweisende Körper ein Prisma (10) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der erstgenannte, eine oder mehrere totalreflektierende Flächen aufweisende Körper ein zusammengesetzter Körper aus Parallelogrammprismen (30,41,42,44,45,69,70) ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbaren lichtdurchlässigen Köiper als Glasplatten (18,25 bis 28,46 bis 52,54,67,68) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Rückflächen des bewegbaren Körpers mit einem Reflexbelag (21) versehen sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Betätiger als an der Rückseite des zweiten Gliedes fest angebrachtes piezoelektrisches Element (22, 676, 680) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element bei Anlegen einer Spannung eine Krümmung des bewegbaren Körpers bewirkt, so daß er sich in der Mitte von der Außenfläche des erstgenannten Körpers abhebt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element bei \nlegen einer entgegengerichteten Spannung sich plan an die Außenfläche des erstgenannten Körpers anlegt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuum am Ort des oder der bewegbaren Körper vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Satz von bewegbaren Körpern (25 bis 28) mit in Zweierpotenzen ansteigenden Dicken (T) vorgesehen ist, die einzeln oder in Kombinationen ansteuerbar sind ( F i g. 3). <>5

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbaren Körper in Paaren gleicher Dicke an gegenüberliegenden Seiten komplementärer Parallelogrammprismen vorgesehen sind, um die optischen Weglängen konstant zu halten.

IZ Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbaren Körper in Paaren gleicher Dicke an gleichen Seiten komplementärer Parallelogrammprismen vorgesehen sind, um die Richtung des Ausgangsstrahles konstant zu halten (F i g. 5).