DE19546923A1 - Electro-optical light beam deflector - Google Patents

Electro-optical light beam deflector

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Abstract

The beam deflector uses polarisation beam splitting prisms (R1,P2,P3), hypotenuse plates (HP1,HP2,HP3) and polarisation rotators (LS1,LS2,LS3) combined to provide a deflection in a number of binary stages corresponding to the number of polarisation rotators, with collimation of the light beams after leaving the deflector. The minimal light point spacing is determined by the thickness of the hypotenuse plate (HP1) for the first polarisation beam splitting prism (P1), the maximum light point spacing determined solely by the size of the last polarisation beam splitting prism.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Lichtstrahlablenker, bestehend aus Polarisationsstrahlteilungsprismen elektrooptischen Polarisationsdrehern und Hypothenusenplatten zur Strahlseparation.The invention relates to an electro-optical light beam deflector from polarization beam splitting prisms of electro-optical polarization rotators and hypotenuse plates for beam separation.

Bekannte mechanische Lichtstrahlablenker bestehen überwiegend aus Drehspiegeln, rotierenden Polygonspiegeln bzw. akustooptischen Lichtstrahlablenkern. Nachteilig bei diesen Lichtstrahlablenkern ist, daß die beweglichen Teile einem Verschleiß unterliegen. Außerdem ist ein Linsensystem zur Kollimierung des Lichtes notwendig. Bei akustooptischen Systemen sind nur kleine Ablenkwinkel möglich, und die Lichtstrahlen laufen nach der Strahlablenkung divergent.Known mechanical light beam deflectors mainly consist of Rotating mirrors, rotating polygon mirrors or acousto-optic Beam deflectors. A disadvantage of these light beam deflectors is that moving parts are subject to wear. There is also a lens system necessary to collimate the light. With acousto-optical systems only small deflection angles possible, and the light rays run after the Beam deflection divergent.

Bekannte elektrooptische Lichtstrahlablenker haben den Nachteil, daß für jeden Lichtstrahl ein elektrooptischer Schalter, bestehend aus einer Pockelszelle und einem Polarisationsstrahlteiler, benötigt wird. Dies führt zu hohen Herstellungskosten und kann den wesentlichen Nachteil - den durch die Baugröße des elektrooptischen Schalters bedingten relativ großen Lichtstrahlabstand von mindestens 1 mm - nicht beheben.Known electro-optical light beam deflectors have the disadvantage that for Each light beam is an electro-optical switch consisting of one Pockels cell and a polarization beam splitter, is required. this leads to at high manufacturing costs and can be the main disadvantage - by the size of the electro-optical switch required relatively large Beam distance of at least 1 mm - do not fix.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Lichtstrahlablenker zu schaffen, der keine beweglichen Teile hat, kompakt und einfach im Aufbau ist, mechanisch robust ist und mit geringen elektrischen Leistungen betrieben werden kann.The invention is based on the object of a light beam deflector create that has no moving parts, is compact and simple in construction, is mechanically robust and operated with low electrical power can be.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is characterized by the characteristics of the characteristic part of the Claim 1 solved.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Lichtstrahlablenkers liegen darin, daß der Lichtpunktabstand nur durch die Dicke der Hypothenusenplatte des ersten Polarisationsstrahlteilungsprismas beschränkt wird und diese wenige Tausendstel mm betragen kann. The advantages of the light beam deflector according to the invention are that Spot distance only by the thickness of the hypotenuse plate of the first Polarization beam splitting prism is limited and this few Can be thousandths of a mm.  

Ein weiterer Vorteil liegt in der geringen Anzahl elektrooptischer Schalter. Für N Lichtpunkte werden n = (log N/log 2) elektrooptische Schalter benötigt. Z. B. werden für 1024 Lichtpunkte nur 10 elektrooptische Schalter benötigt.Another advantage is the small number of electro-optical switches. For N light points, n = (log N / log 2) electro-optical switches are required. For example, only 10 electro-optical switches are required for 1024 light points.

Außerdem ist eine einfache Ansteuerung des Lichtstrahlablenkers mittels EDV-Geräten durch rein binäres Addressieren der einzelnen Polarisationsdreher möglich. Dadurch ist der Lichtstrahlablenker gut in Lasersetzmaschinen der Druckindustrie sowie zum Lesen von Strichcodeinformationen auf verpackten Gütern einsetzbar.In addition, simple control of the light beam deflector is possible EDP devices through purely binary addressing of the individual polarization rotators possible. This makes the light beam deflector good in laser setting machines Printing industry as well as for reading bar code information on packaged Goods can be used.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprüche beschrieben.Appropriate configurations are in the characterizing parts of the Subclaims described.

Anhand der Zeichnung wird die Funktionsweise eines dreistufigen Lichtstrahlablenkers beschrieben.Based on the drawing, the functionality of a three-stage Light beam deflector described.

Ein Lichtstrahl L aus senkrecht polarisiertem Licht - z. B. Laserlicht - passiert den ersten als Lichtschalter wirkenden elektrooptischen Polarisationsdreher LS1 und wird an der ersten Grenzschicht - Glas/ Dielektrikum - total reflektiert und verläßt unter rechtem Winkel zu seiner Abfangsrichtung das Polarisationsstrahlteilungsprisma P1. Es durchläuft den zweiten Polarisationsdreher LS2 und das Umlenkprisma UP, wird im zweiten und dritten Polarisationsstrahlteilungsprisma P2, P3 an der gleichen Grenzschicht wie im Prisma P1 ebenfalls total reflektiert und verläßt als Lichtstrahl L2 den elektrooptischen Lichtstrahlablenker.A light beam L from perpendicularly polarized light - e.g. B. Laser light - passes the first electro-optical to act as a light switch Polarization rotator LS1 and is at the first boundary layer - Glass / dielectric - totally reflected and leaves at a right angle its intercepting direction the polarization beam splitting prism P1. It passes through the second polarization rotator LS2 and the deflection prism UP in the second and third polarization beam splitting prism P2, P3 on the same boundary layer as in prism P1 also totally reflected and leaves the electro-optical light beam deflector as light beam L2.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung Uλ /2 an den Polarisationsdreher wird bei Passieren des Lichtes innerhalb des Polarisationsstrahlteilungsprismas die Polarisationsrichtung des Lichtes um 90° gedreht. Aus senkrecht polarisiertem Licht wird parallel polarisiertes Licht. Dies bewirkt, daß es im folgenden die Grenzschichten Glas/Dielektrikum der Polarisationsstrahlteilungsprismen passiert und nur jeweils an den Grenzschichten Glas/Luft total reflektiert wird, bis es als Lichtstrahl L5 aus dem Lichtstrahlablenker austritt. Durch die Hypothenusenplatten erfährt der Lichtstrahl jeweils einen Parallelversatz entsprechend der Beziehung ai = di· (di ist die Dicke der i-ten Hypothenusenplatte) . Die Hypothenusenplatten sind in ihren Dicken gemäß der Beziehung di = d₀·2(i-1), (i = 1, 2, 3, . . . n; d₀ = Dicke der Hypothenusenplatte des ersten Polarisationsstrahlteilungsprismen P1) aufeinander abgestimmt, wodurch äquidistante Lichtstrahlen Li entstehen.By applying an electrical voltage U λ / 2 to the polarization rotator, when the light passes within the polarization beam splitting prism, the polarization direction of the light is rotated by 90 °. Vertically polarized light becomes parallel polarized light. This has the effect that it subsequently passes the glass / dielectric boundary layers of the polarization beam splitting prisms and is only totally reflected at the glass / air boundary layers until it emerges as light beam L5 from the light beam deflector. Through the hypotenuse plates, the light beam experiences a parallel offset in accordance with the relationship a i = d i · (d i is the thickness of the i-th hypotenuse plate). The thicknesses of the hypotenuse plates are matched to one another according to the relationship d i = d₀ · 2 (i-1), (i = 1, 2, 3,... N; d₀ = thickness of the hypotenuse plate of the first polarization beam splitting prism P1), as a result of which equidistant Light rays L i arise.

Wird zusätzlich zum Polarisationsdreher LS1 auch noch Spannung an den Polarisationsdreher LS2 gelegt, so wird aus dem parallel polarisierten Licht wieder senkrecht polarisiertes Licht, das im folgenden nur an den Grenzschichten Glas/Dielektrikum total reflektiert wird, bis es schließlich als Lichtstahl L3 aus dem Lichtstrahlablenker austritt. Auf diese Art und Weise lassen sich alle ₂n-Schaltmöglichkeiten mit den zugehörigen 2n- Lichtaustrittspunkten aus dem Lichtstrahlablenker realisieren.If, in addition to the polarization rotator LS1, voltage is also applied to the polarization rotator LS2, the parallel polarized light becomes again vertically polarized light, which is subsequently only totally reflected at the glass / dielectric boundary layers until it finally emerges from the light beam deflector as light steel L3 . In this way, all ₂ n switching options can be realized with the associated 2 n light exit points from the light beam deflector.

Für einen dreistufigen Lichtstrahlablenker ist der Zusammenhang zwischen Ansteuerung der Polarisationsdreher und Lichtstrahlposition in nachstehender Tabelle dargestellt. Die Tatsache, daß die Zuordnung von Lichtstrahlposition und binärem Wert nicht nach aufsteigenden Zahlen erfolgt, ist durch die Anordnung der Dreher und Prismen bedingt. Durch Vorschalten einer elektronischen Codierung kann die Lichtstrahlposition den Werten entsprechend aufsteigender binärer Zahlen zugeordnet werden.For a three-stage light beam deflector, the relationship between Control of the polarization rotator and light beam position in the following Shown in the table. The fact that the assignment of light beam position and binary value is not made by ascending numbers, is by the Arrangement of the rotators and prisms conditional. By connecting one electronic coding, the light beam position can match the values ascending binary numbers.

Die Polarisationsdreher bestehen z. B. aus einer Blei-Lanthan-Zirkonat- Titanat-Keramik (PLZT-Keramik). Durch Verkitten der optischen Komponenten wird ein einfacher und kompakter Aufbau erreicht, der auch harten mechanischen Stoßbelastungen standhält. Da keine elektrischen Kräfte aufzubringen sind und zur Ansteuerung der PLZT-Keramik ein elektrisches Feld genügt, besteht die elektrische Leistungsaufnahme des Lichtstrahlablenkers im wesentlichen aus den dielektrischen Verlusten der PLZT-Keramik. Da das Licht in dem Lichtrahlablenker stets die gleiche Weglänge durchläuft, ist es möglich, eine Fokussierungsoptik vorzuschalten.The polarization rotators exist e.g. B. from a lead-lanthanum-zirconate- Titanate ceramics (PLZT ceramics). By cementing the optical components a simple and compact structure is achieved, which is also hard withstands mechanical shock loads. Because no electrical forces an electric field must be applied and to control the PLZT ceramic is sufficient, the electrical power consumption of the light beam deflector essentially from the dielectric losses of the PLZT ceramic. Because the light  in the light beam deflector always runs the same path length, it is possible to connect a focusing lens.

Werden zwei elektrooptische Lichtstrahlablenker orthogonal so angeordnet, daß die austretenden Lichtstrahlen des ersten Lichtstrahlablenkers in den zweiten Lichtstrahlablenker wieder eintreten, führt dies zu einer Vervielfachung der Lichtpunkte N. Es gilt dabei die Beziehung N = (nx = Anzahl der Polarisationsdreher in der x-Achse; ny = Anzahl der Polarisationsdreher in der y-Achse). Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn optische Speichermedien eingesetzt werden sollen.If two electro-optical light beam deflectors are arranged orthogonally so that the emerging light beams of the first light beam deflector re-enter the second light beam deflector, this leads to a multiplication of the light points N. The relationship N = (n x = number of polarization rotators in the x-axis applies ; n y = number of polarization rotators in the y-axis). This is particularly important if optical storage media are to be used.

Claims (7)

1. Elektrooptischer Lichtstrahlablenker bestehend aus Polarisationsstrahlteilungsprismen elektrooptischen Polarisationsdrehern und Hypothenusenplatten zur Strahlseparation dadurch gekennzeichnet, daß polarisiertes gerichtetes Licht (L) abwechselnd die elektrooptischen Polarisationsdreher (LS1, LS2, LS3,) und Polarisationsstrahlteilungsprismen (P1, P2, P3) durchläuft, die derart angeordnet sind, daß die Austrittspunkte des Lichtes (L0 . . . . L7) aus dem Lichtstrahlablenker binär in 2n-Schritten (n = Anzahl der elektrooptischen Polarisationsdreher und Anzahl der Polarisationsstrahlteilungsprismen) vorwählbar sind, und der minimale Lichtpunktabstand nur durch die Dicke (d) der Hypothenusenplatte (HP1) des ersten Polarisationsstrahlteilungsprismas (P1) bestimmbar ist.1. Electro-optical light beam deflector consisting of polarization beam splitting prisms, electro-optical polarization rotators and hypotenuse plates for beam separation, characterized in that polarized directed light (L) alternately passes through the electro-optical polarization rotators (LS1, LS2, LS3,) and polarization beam splitting prisms (P1, P2, P3), which are arranged in this way that the exit points of the light (L0.... L7) from the light beam deflector can be selected in binary in 2 n steps (n = number of electro-optical polarization rotators and number of polarization beam splitting prisms), and the minimum light point distance can only be determined by the thickness (d) of the Hypotenuse plate (HP1) of the first polarization beam splitting prism (P1) can be determined. 2. Elektrooptischer Lichtstrahlablenker nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der möglichen Lichtpunkte durch die Anzahl der elektrooptischen Polarisationsdreher (LS1, LS2, . . . LSn) und die gleiche Anzahl der Polarisationsstrahlteilungsprismen (P1, P2, . . . Pn) gemäß N = 2n bestimmt ist.2. Electro-optical light beam deflector according to claim 1, characterized in that the number of possible light spots by the number of electro-optical polarization rotators (LS1, LS2,... LSn) and the same number of polarization beam splitting prisms (P1, P2,... Pn) according to N = 2 n is determined. 3. Elektrooptischer Lichtstrahlablenker nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Ablenkung des Lichtstrahls L nur von der Größe des letzten Polarisationsstrahlteilungsprismas (P3) abhängig ist.3. Electro-optical light beam deflector according to claims 1 or 2, characterized characterized in that the maximum deflection of the light beam L only from the Size of the last polarization beam splitting prism (P3) is dependent. 4. Elektrooptischer Lichtstrahlablenker nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem elektrooptischen Lichtstrahlablenker austretenden Lichtbündel parallel zur Flächennormalen der Austrittsfläche verlaufen.4. Electro-optical light beam deflector according to claims 1, 2 or 3, characterized in that from the electro-optical Beam deflectors emerging light bundle parallel to the surface normal the exit surface. 5. Elektrooptischer Lichtstrahlablenker nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für unpolarisiertes ungerichtetes Licht eine Polarisations- und Kollimationsoptik und eine Fokussierungsoptik vorgeschaltet sind.5. Electro-optical light beam deflector according to claims 1, 2, 3 or 4, characterized in that a for unpolarized non-directional light  Polarization and collimation optics and focusing optics are connected upstream. 6. Elektrooptischer Lichtstrahlablenker nach den Ansprüchen 1,2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektrooptische Lichtstrahlablenker zu einem Gesamtgerät aneinandersetzbar sind.6. Electro-optical light beam deflector according to claims 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that several electro-optical light beam deflectors a whole device can be put together. 7. Elektrischer Lichtstrahlablenker nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektrooptische Lichtstrahlablenker orthogonal so angeordnet sind, daß N = Lichtpunkte in der z-Ebene erzeugt werden.7. Electric light beam deflector according to claims 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized in that two electro-optical light beam deflectors are arranged orthogonally so that N = light spots are generated in the z-plane.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US3391970A (en) * 1964-06-30 1968-07-09 Ibm Optical memory in which a digital light deflector is used in a bi-directional manner
US4659185A (en) * 1982-12-21 1987-04-21 Crosfield Electronics Limited Light beam splitter

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