DE1956747A1

DE1956747A1 - Verfahren zum optischen Abtasten

Info

Publication number: DE1956747A1
Application number: DE19691956747
Authority: DE
Inventors: Smith Archibald William
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-11-13
Filing date: 1969-11-12
Publication date: 1970-06-11
Also published as: DE1956747C3; US3626321A; DE1956747B2; FR2023155A1; GB1280520A; JPS4815598B1

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Matthinen Getelhchafi mbH

Böblingen, 10. November 1969 pr/du '

Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, N,Y. 10504 Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelde.rin: Docket YO 968 031 Verfahren zum optischen Abtasten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Abtasten ein- oder mehrdimensionaler Bereiche.

Auf vielen Gebieten der Datenübertragung und Datenverarbeitung ist es erforderlich, einen ein-oder mehrdimensionalen Bereich durch einen Lichtfleck abzutasten. Die bekanntesten Beispiele sind die punktweise Abtastung eines Bildes in der Fernsehtechnik und die Abtastung des optischen Speichers einer datenverarbeitenden Anlage. .

Die Abtastung einer Fläche mit Hilfe eines rasterförmig bewegten Lichtpunktes erfolgte bisher mit Hilfe von Kathodenstrahlröhren,

00382471798

periodisch bewegten Spiegeln oder sogenannten elektrooptischen Lichtablenkern. Zur Steuerung der genannten Anordnungen waren entweder sich sehr schnell ändernde Mechanische Kräfte oder elektrische Spannungen bzw. Ströme hoher Frequenzen und Amplitude erforderlich. Für sehr hohe Abtastgeschwindigkeiten war zur Erzeugung der benötigten hochfrequenten Ablenkwechselspannungen, wie sie für elektro-optische Lichtablenker erforderlich sind und deren Amplitude im allgemeinen einige 1000 Volt beträgt, ein sehr hoher technischer Aufwand erforderlich. Darüber hinaus trat bei den für extrem hohe Abtastgeschwindigkeiten besonders geeigneten elektrooptischen Lichtablenkern im Dauerbetrieb eine sehr starke Erwärmung ein, wodurch die Arbeitsgeschwindigkeit derartiger Anordnungen stark herabgesetzt wurde.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine sehr schnelle optische Abtastung zu ermöglichen, ohne daß, wie das ί bei den bisher bekannten Anordnungen der Fall ist, Steuerenergien mit periodisch wechselnden Richtungen und Größen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum optischen Abtasten ein-oder mehrdimensionaler Bereiche gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß mehrere kohärente Strahlen, mit vorgegebenen Verhältnissen ihrer Frequenzen, Phasenlagen und/oder räumlichen Anordnungen sowie Aperturen auf dem abgetasteten Bereich zur Interferenz gebracht werden, so daß sich

009824/1798 Docket YO 968 031

das oder die entstehenden Maxiaa über diesen Bereich bewegen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse zwischen den Frequenzen, Phasenlagen und/oder räualichen Anordnungen sowie Aperturen der einzelnen Strahlen zwecks Änderung der Abtastgeschwindigkeit, der Abtastebene und/oder der Abtastfleckgröße veränderbar sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildungsfora des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die kohärenten Lichtstrahlen durch räualiche Trennung, Phasen- und/oder Frequenzverschiebung eines Laserstrahls außerhalb seines Resonators gebildet werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsfora des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die kohärenten Lichtstrahlen durch räualiche Trennung, Phasen- und/oder Frequenzverschiebung der zur Interferenz zu bringenden Strahlen ia Resonator eines Lasers erzeugt werden.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlagen der zur Interferenz zu bringenden Strahlen durch einen akustische Wellen verwendenden Modulator verriegelt werden, so daß in Größe und Vorzeichen gleiche Phasen- und Frequenzabstände zwischen einander benachbarten Strahlen festgelegt werden.

009824/ 1798
Docket YO 968 031

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Moden der zur Interferenz zu bringenden Strahlen verriegelt werden.

Eine andere besonders vorteilhafte Form des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die longitudinalen Moden der zur Interferenz zu bringenden Strahlen durch die Resona- w torbegrenzungen festgelegt werden.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des er» findungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Lichtquellen zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von kohärenten Strahlen mit den Frequenzen to ₀, ω ₀+Δω , W ₀₊2 ^u; ,...ui _0+n 4 tu .

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedankens ist gekennzeichnet durch einen Spiegel und durch eine an einer Fläche mit einer Antireflexschicht und an der anderen Fläche mit einer teildurchlässigen Spiegelschicht versehenen Anordnung zur Weiterleitung einer Schallwelle der Frequenz Δ w , von der ein kohärenter Strahl der Frequenz Uj _o unter Änderung seiner Frequenz um4u/ teilweise gebeugt und teilweise durchgelassen wird, wobei ein Teil des gebeugten Anteils jeweils einen der zur Interferenz zu bringenden Strahlen bildet und der andere Teil an der teildurchlässigen spiegelnden Schicht und am Spiegel reflektiert wird um von dort wieder zur beugenden Schallwelle zu

009824/1798

Docket YO 968 031

gelangen, von der er unter erneute Änderung seiner Frequenz um ^u; zur Erzeugung der nächsten der zur Interferenz zu bringenden Strahlen teilweise gebeugt und von der teildurchlässigen spiegelnden Schicht spiegelreflektiert wird usw.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist gekennzeichnet durch drei totalreflektierende und eine teildurchlässige reflektierende Fläche, die jeweils paarweise zueinander parallel angeordnet sind, und die einen Strahl durch wiederholte Reflexion in Strahlengruppen verwandeln, deren Strahlen voneinander gleiche Abstände aufweisen, durch zwei imStrahlengang einer dieser Strahlengruppen angeordnete Frequenzschieber, die durch zirkulär polarisierte Schallwellen der Frequenz +4cu I\ und "du,-/? eine Frequenzänderung der sie durchsetzenden zirkulär polarisierenden Strahlen um Δ kjo ohne eine Änderung ihres Polarisationszustandes bewirken, und durch eine im Verlauf dieser Strahlengruppe hinter dem teildurchlässigen Spiegel angeordnete Linse, durch die die jeweils einen Frequenzunterschied von Δυο aufweisenden Strahlen auf die abzutastende Ebene fokusiert werden.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist gekennzeichnet durch einen Resonator, der an der einen Seite durch einen eine Auswahl der Longitudinal-Moden bewirkende, eine reflektierende Fläche enthaltende Anordnung und an der anderen Seite durch einen teildurchlässigen Spiegel begrenzt ist, durch eine innerhalb des Resonators im Strahlengang der zur Inter-

009824/1798
Docket YO 968 031

ferenz zu bringenden Strahlen angeordnete keilförmige Anordnung zur schrittweisen Veränderung der optischen Weglänge der einzelnen Strahlengänge, durch einen zwischen zwei in Resonator angeordnete Linsen liegenden, eine Phasenverriegelung bewirkenden Modulator, durch ein anregbares Medium und durch eine die Lage und den Durchmesser der zur Interferenz zu bringenden Strahlen bestimmende Aperturplatte.

Eine andere besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen zur Erzeugung einer in einer Richtung verlaufenden Abtastbewegung in einer Ebene liegen.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist schließlich dadurch gekennzeichnet, daß die zur Interferenz zu bringenden Strahlen zwecks Erzeugung eines in zwei Dimensionen verlaufenden Abtastvorganges in Form einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind·

009824/1798
Docket YO 968 031

Die Erfindung wird Anhand der Figuren naher erläutert.
Es zeigen:

Fig· IA * mehrere kohärente Lichtstrahlen «it voneinander verschiedenen Phasenlagen, durch deren Interferenz ein feststehender Lichtfleck in der
Brennebene einer Linse erzeugt wird,

Fig· IB einen Laser-Resonator mit einer Anordnung zur Moden-Verriegelung,

Fig· IC ,eine scheaatisdo Darstellung der Ausdehnung der Frequenzen eines Laser-Modes und der Frequenzabhängigkeit des Laser-Gewinns,

Fig. ID eine Darstellung der Seitenbänder, die die Moden-Verriegelung für jede Frequenz bewirken,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei

dea aehrere kohärente Strahlen unterschiedlicher Frequenzen einen bewegten Interferenzfleck erzeugen ,

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Vielzahl von Laserstrahlen durch

009824/1798
Docket YO 968 031

. . eine Phasenverriegelungsanordnung in eines Laser-Resonator erzeugt wird,

Fig. 4 ein anderes Ausftthrungsbe!spiel der Erfindung, bei dem eine Vielzahl von kohärenten Strahlen durch einen einzigen Laser durch Reflexion, Beugung und Übertragung optischer Energie erzeugt wird,

Fig. 5 ein anderes AusfUhrungsbeispiel der Erfindung, f ·:\ s . . „3C bei dem eine Vielzahl von Strahlen mit be-

ev.

'Vv stielten Phasenunterschieden durch versetzt J*

angeordnete Spiegel und durch Anordnungen zur

-;, |f%requenzverschiebung erzeugt werden.

In der eine bekannte Anordnung darstellenden Fig. IA sind B. bis M_n, die durch eine geaeinsaae, nicht dargestellt· Licht· quelle und eioe Aperturplatte IA-I erzeugt werden. Ia Wege dieser Strahlen sind die Phasenschieber P₁ bis P_n angeordnet, durch die ein bestirnter Phasenunterschied zwischen benachbartem Strahlen erzeugt wird· Die Strahlen B> bis B_n werden durch die Linse IA-2 auf der Brennebene 1A-3 fokus· siert, die la Abstand F von der Linse angeordnet ist. Öle Aaplitude der Intensität des Lichtstrahles, der auf eines in der Brennebene angeordneten Target entsteht, wird durch die mit 1A-4 bezeichnete Kurve dargestellt. Die Lage X des Intern·

009824/1798 Docket YO 96t 031

sitätsmaximums wird durch^ be stiemt. Die bei 0,81 des Spitzenwertes gemessene räumliche Ausdehnung 4 x, in der Targetebene (Rayleigh'sche Kriterium) ist umgekehrt proportional zur Alizahl der daß in das Interferenzmuster bildenden Stahlen. Bine derartige Anordnung ist in einem Aufsatz von A. Korpel, Proceedings of IEEE₁ Oktober 1965, Seite 1666 beschrieben.

In der in Fig. 1B dargestellten Anordnung wird ein Laser-Resonator durch den totalreflektierenden Spiegel IB-I und durch den rechts davon angeordneten teildurchlässigen Spiegel 1B-2 eingeschlossen. Im Inneren des Resonators ist im Verlaufe des Strahles 1B-4 eine Laser-Anordnung 1B-3 untergebracht. Diese Anordnung besteht aus der eigentlichen Quelle für die kohärente Strahlung und aus den erforderlichen Mitteln zur Erzeugung der Anregungsenergie. Der Abstand zwischen den den Resonator einschließenden Spiegeln beträgt L. Die Frequenzen, die in den in Fig. IB wiedergegebene Laser-Resonator auftreten können, haben die in Fig. IC dargestellte Verteilung.' Die Einhüllende des Gewinns ist als Funktion der Frequenz aufgetragen. Die Einhüllende des Gewinns ist in Höhe des Gewinnintensitätsmaximums gemessen und beträgt £ f. Es liegt'eine Verteilung der Longitudinal-Resonator-Hoden mit einer Frequenzseparat!on von Λ F * c/2L vor· Der Schwellwert für das Senden liegt in dem Bereich, in dem der Gewinn den Verlusten gleichkommt. Es kann daher nur im Bereich derjenigen Moden gesendet werden, deren Gewinn den Schwellwert übersteigt· Im Wege des Laserstrahls 1B-4 ist ein· Modulator»

009824/1798 Docket YO 961 031

195674t - ίο -

anordnung 1B-5 «it einer Frequenz rom c/2L « 1/(Obergangszeit) angeordnet. Die Gegenwart des Modulators 1B-5 hat, wie aus Fig. ID ersichtlich, die Wirkung, daß für jede Mode der Ausdehnung der in Fig. IC dargestellten Frequenzen jeweils eine Hauptfrequenz f» und jeweils eine Seitenfrequenz f_ls und f, auf beiden Seiten der Hauptfrequenz vorliegt. Das Vorliegen dieser Seitenfrequenzen

. hat zur Folge, daß die Resonator-Moden in eine» Moden-Phasen·

Ψ * ■

verhältnis verriegelt werden, das durch die Seitenbandfrequenzen bestirnt ist. Die Form des aus den in Fig. IB dargestellten Laser-Resonators auftretenden Strahlungsauster ist in Fig. IC dargestellt, wobei die Breite der aus de* halbdurchlissigen Spiegel in zeitlicher Aufeinanderfolge auftretendes Iapulse angenähert 1/<f f ist und wobei die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen durch die Obergangszeit T«2i/c bestirnt wird.

J In Fig· 2 wird ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt«

Das am Target 20 entstehende Interfrequenzauster 18 wird durch von den Lichtquellen 10-1 bis 10-n ausgehenden kohärenten Lichtstrahlen 12-1 bis 12-n gebildet, die durch die Aperturen 11-1 bis 11-n hindurch treten. Durch die optische Linse 14 werden die

Lichtstrahlen 12-1 bis 12-n zu« Brennpunkt dieser Lifts· gebeugt, dessen Abstand zur Linse gleich F ist. Die Frequenzen der Lichtstrahlen 12-1 bis 12-n sind u> ₀ , u/q*4u> ·······, *·*>(>♦ (b-1) A . Das auf de» Target 20 dargestellte Interfrequenzaisster It weist eine Vielzahl von als Keule» wiedergegebenen Maxi»·

009834/1781 Docket YO 96· 031

auf, vom denen Al· stärksten L-I ....... L-4 wiedergegeben sind« Des dargestellt· Interferenzauster 18 bewegt sich mit konstanter Gesckwindigkeit entlang der in der Fig. mit 20 bezeichneten, das Target darstellenden Linie. Durch geeignete Wahl des Abstandes zwischen den Interferenzkeulen L-I bis L-4 ist es möglich, eine bestimmte Target-Spur 20 durch die Hauptkeule L-2 oder L-3 des Interferenznusters überstreichen zu lassen.

In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Resonator des Lasers durch* eine totalreflektierende, zur Selektion τοη Longitudinal-Modeη ausgebildete Anordnung 30 und ein· halbdurchlässig· spiegelnde Fliehe 32 begrenzt. Eine keilförmige» zur stuf «weisen Abstimmung vorgesehene Anordnung sur Freejuonzvertchiebumg der kohärenten Strahlen 34-1··· 34-n ist innerhalb des Resonators vorgesehen. Ein phasenverriegelnder Modulator Si ist zwischen den Linsen 38 und 4O₉ die ebenfalls im Resonator dos Lasers liegen, angeordnet· Zwischen der Linse 40 und der helbaurchlassigem spiegelnden Fläche 32 ist die die eigentliche optische Verstärkung bewirkende Anordnung 42 und eine Aperturplatt· 44 angeordnet. Die die eigentliche Verstärkung bewirkende Anordnung 42 besteht aus eimer Quelle für kohärente optische Energie und den erforderlichen Mitteln zur Anregung bzw. tür Erzeugung umd Xufuhr der Pomp-Energie. Der Phasenverriegelung*· modulator St besteht aus einer Frequenzquelle St-I. einem Handler 3*-2 umd eimer •ebyo-Sears-Anordnung 36-4, in der eine Beugung optischer Strahlern an akustischen Wellen stattfindet.

n, m o» 009824/1798

Die Phasenverriegelung im Modulator 36 erfolgt dadurch, daß ein Teil des einfallenden Strahles um einen Winkel gebeugt wird, der gleich dem Winkel zwischen zwei benachbarten, die Anordnung verlassenden Strahl ist, und daß die Frequenz des gebeugten Strahles um einen Betrag verschoben wird, die gleich der Frequenzdifferenz zwischen zwei benachbarten Strahlen ist. Durch diese Anordnung wird das in den Fign. 1B, 1C und 1D erläuterte Verfahren zur

" Phasenverriegelung auf in verschiedenen Richtungen sich fortpflanzende Strahlen erweitert und ermöglicht es, eine Transversalverriegelung der Moden der Ausgangsstrahlen 34-1,...34-n durchzuführen. Die dargestellten Moden-verriegelten Strahlen weisen die Kohärenz auf, die zu der im Zusammenhang mit Fig_e 2 beschriebenen Abtastung einer Targetspur erforderlich ist· Zur Ermöglichung der gewünschten Abtastung ist es wünschenswert, daß die Strahlen 34-1 bis 34-n jeweils nur eine Longitudinal-Mode enthalten. Wie schon im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 1C ausgeführt, haben die Longitudinal-Moden einen Abstand von Δ f=c/2L. Normalerweise liegt eine größere Anzahl dieser Frequenzen unter der Gewinneinhüllenden des Lasers. Zur Beschränkung des Sendens eines Lasers auf eine einzige von einer Vielfalt von möglichen Longitudinal-Moden ist eine ganze Reihe von Verfahren bekannt, die beispielsweise in den Aufsätzen von M. DiDomenica, et al, Applied Physics Letters, 8, 180 (1966); von D.G. Carlson et al. in IEEEJ, of Quantum Electronics, VoI. QE-4, ρ. 93, 1968

00S82A/1798

Docket YO 968 031

und von P.W. Smith im IEEEJ. of Quantum Electronics Vol. QE-1, p. 343, 1965, beschrieben werden. Die in den oben genannten Literaturstellen beschriebenen Verfahren können zur Ausgestaltung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung 30 verwendet werden, um zu bewirken, daß jeder der Strahlen 34-1, 34-n in einer einzigen Longitudinal-Mode schwenkt.

In der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ist ein Laser 50 zur Erzeugung einer Einzel-Longitudinal- und Transversal-Mode vorgesehen, dessen Strahl 52 auf eine mit einer Antireflexschicht 54-1 überlegene Fläche des Modulators 54 fällt, in dem die Modulation mittels akustischer Wellen erfolgt. Die gegenüberliegende Fläche dieses Modulators ist mit einer teildurchlässigea spiegelnden Schicht 54-2 überzogen· Ein in Richtung des Pfeiles 53 verlaufender Strahl wird von dem akustischen Wellenzug 54-3 teilweise durchgelassen und teilweise gebeugt*

Der gebeugte Strahlungsanteil wird von der teildurchlässigen spiegelnden Fläche 54-2 teilweise durchgelassen und teilweise reflektiert. Als Ergebnis dieses vollständigen Beugens, Durchlassens und Reflektiertwerdens treten in der in Fig. 4 dargestellten Anordnung zwei optische Strahlengruppen 58 und 60 auf, bei denen zwischen jedes Strahlenpaar geeignete Frequenzunterschiede bestehen, *o daft, wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, sich bewegende Lichtflecke erzeugt werden.

YO ,«. 03, 009824/1798

In dem in Fig. S dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Abtaststrahl durch einen Laser erzeugt, der eine kontinierliche Strahlung einer Einzel-Mode erzeugt. Durch eine besondere Spiegelanordnung wird eine Vielfalt von Strahlen erzeugt, der Frequenzen sich jeweils um diskrete Werte voneinander unterscheiden. Der durch den oben genannten Laser erzeugte Strahl 102, ist, wie durch die eingezeichneten kreisförmigen Pfeile 104 angedeutet,

. zirkulär polarisiert. Der teildurchlässige Spiegel 106 läßt den Teilstrahl 104-1 durchtreten und reflektiert den Teilstrahl 104-2. Der Strahl 104-2 wird nacheinander an den Spiegeln 108, 110 und 112 reflektiert, um die Anordnung anschließend als zweiter Strahl 114 zu durchsetzen. Das aus den Spiegeln 106 und 108 bestehende Spiegelpaar ist in Bezug auf das aus den Spiegeln 110 und 112 bestehende Spiegelpaar axial in vertikaler Richtung um einen Betrag versetzt, der erforderlich ist, um zwischen dem Strahl 102 und den Strahl 114 den gewünschten Abstand d zu erzeugen. Jeder der Spiegel 106, 108, 110 und 112 schließt mit der Errichtung des

* Strahls 102 einen Winkel von 45° ein. Im Verlauf der Strahlen 114, 116, 118 sind Frequenzschieber 122 und 124 angeordnet, die mit der Frequenz D uu /2 betrieben werden, der eine in positiver Richtung und der andere in negativer Richtung, so daß die Polarisationsrichtung des übertragenen Strahles beibehalten wird, der als Strahl 114 mit einer Frequenz to +4<-o austritt. Im Verltyf d«r Strahlen 114, 116 und 118 ist auch ein* doppelbrochenäs'Koapentatorpiette 120 aageordnet, dutch di« bewirkt wird, da3 #it StrihUn 103, 114, 116 «n«? 118 die gleich«

3 0 £ Π ? Λ ■' ' 7 Ö 3.
Docket TfW 96A 031

Rotationsebene haben. Durch die Linse 126 werden die durch den teildurchlässigen Spiegel 106 hindurchtretenden Strahlen mit ihren unterschiedlichen Frequenzen fokussiert, um einen über die Targetebene 130 bewegten Interferenzfleck 128 zu erzeugen.

Im folgernden wird die Funktionsweise der in den Figuren dargestellten Aasführungsbeispiele näher erläutert. Wird, wie in Figur 2 dargestellt» eine Vielzahl von Strahlen mit Hilfe einer Linse 14 auf einem Schirm 20 fokussiert, so entsteht eine Reihe von Maxima, beispielsweise L-1,...L-4, die über den Schirm entlang der Targetspur verschoben werden. Die Abtastgeschwindigkeit wird durch die Foimel v£*FxA£/d bestimmt, wobei F die Brennweite der Linse, λ die mittlere Wellenlänge des Lichtes, Λ f der Frequenzunterschied zwischen den Strahlen (Δ f ■£< fo = c/A.) und d der Abstand zwischen den Strahlen ist. Die

Abtastgeschwindigkeit wird durch Vergrößerung von Δ f ver-

«5 q größert. So ist beispielsweise bei X * 6MO cm, A f«10*

c/s, d«10"* cm und F*15 cm, die Abtastgeschwindigkeit r^ s=io⁸cm/ Sek. Die Anzahl der auflösbaren Lichtflecke in der Brennebene der kollidierenden Linse hängt von Δ χ des oben erwähnten Rayleigh Kriteriums ab und ist gleich der Anzahl der Strahlen n. Die Anzahl der Maxiaa oder Keulen des Frequenzmusters ist durch die Größe der Apertur A der Lichtquellen bestimmt, während die Abftänd· zwischen den Maxima durch d bestimmt werden. Die theoretischen Grundlagen für die oben beschriebenen Gesetzmäßigkeiten sind beispielsweise im Buch "Principles of Optics" von M. Born Docket YO 968 031 0 0 9 8 2 4/1798

et al. (Pergamon Press, 1959) enthalten.

Die Wellenamplitude der in Fig. 2 dargestellten Anordnung von kohärenten Strahlen in Richtung ρ und zum Zeitpunkt t wird durch folgende Forael gegeben

N-I -ikndpn 1 ρ^O0 Vt) ^Sü°(p) L ^e ΤΙ

wobei eine Fraunhoferbeugung an unendlich langen Spalten angenommen wird. In dieser Gleichung ist tu die Winkelfrequenz,Δ υυ der Frequenzunterschied zwischen den Quellen, k_Q die durchschnittliche Wellenzahl des Lichtes und U⁰. .die Winkelverteilung der

von den einzelnen Quellen ausgehenden Strahlen» Der räum-

ik dpn

liehe Phasenfaktor e wird für alle Quellen als gleich angenommen, da Δcu/U u> =ck . Diese Annahme ist mit den von Born in der oben genannten Literaturquelle für die Fraunhoferbeugung gemachten Annäherung verträglich. Wird die Integration und die Summation in Gleichung (1) durchgeführt, so wird die Amplitude

^U(_P,t) ■ a±r (P)

2 Tr ^Vr i__ei(Ä-t-k_odp)

wobei N die gesamte Zahl der optischen Strahlenquellen ist. Die sich ergebende Intensität ist

2 sin 1/2 N (4u>t-k_odp)

sin 1/2 (Aoot-k₀dp)
Docket YO 968 031 009824/1798

Bei p*0 (Fig. 2) erhalt man ein Intensitätsmaximum auf der Achse 21, das sich mit der Periode T»1/4unverändert, d.h. es entsteht ein Impulszug der den Impulsen 1B-6 ähnlich ist, die durch eine an sich bekannte Anordnung von phasenverriegelten kohärenten Strahlen gleicher Frequenz erzeugt werden. In Punkten, die nicht auf der Achse 21 liegen, hängt das zeitliche Auftreten der Impulse linear von wachsendem ρ ab. Auf diese Weise erfolgt eine lineare Abtastung der Targetspuren 20 (Fig. 2) durch das Interferenzmaximum, wobei die lineare Abtastgeschwindigkeit r_g *F4co /k_od*F\ ₀ Δ f/d.

In der Anordnung nach Fig. 3 wird ein Vielfachmoden-Laser mit einer Aperturplatte 44 zur Erzeugung räumlich verteilter kohärenter Strahlen, und eine lineare Veränderung der Resonatorlänge, beispielsweise durch den Keil 33 zur Erzeugung einer festen Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Strahlen verwendet. Ein mit einer akustischen Welle arbeitender Modulator 36 der mit der Frequenz A <jü betrieben wird, bewirkt eine Verriegelung der transversalen Laser-Moden. .-■

Soll eine Phasenverriegelung zwischen zwei Moden mit verschiedener Richtung und verschiedenen Frequenzen durchgeführt werden, wie das beispielsweise bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnungen der Fall ist, muß ein durch den Modulator aufgrund der ersten Mode hergestelltes Seitenband in Bezug auf Richtung und

Docket YO 968 031 0098 24/1798

Frequenz mit der zweiten Mode übereinstimmen. Dies wird mit Hilf· des in Fig. 3 dargestellten akustischen Beugungsmodulators 36 und dadurch erreicht, daß die Winkel zwischen den Moden auf den

Wert 4 o) = rt /k eingestellt werden, wobei * eine ganze ac ο

Zahl und k_ac und k_Q die akustischen bzw. die optischen Wellenvektoren sind. Die Beugungsmaxima einer Mod·, die durch die akustische Frequenz frequenzverschoben werden, stimmen mit den Richtungen anderer Moden überein· Ist die gebeugt· Inten-

♦

sität genügend groß, so bestiaat die Phase der gebeugten Seitenbänder der ersten Mode emittierenden, d.h. f^ und fjg in der Darstellung gemäß Fig· ID bestimmen die Phasen der anschließend emittierten Moden·

Für andere als die oben beschriebenen Zwecke des Abtastens kann auch das Vorliegen von Longitudinal-Moden erwünscht sein. Tritt das Senden im Bereich einer Anzahl von Longitudinal-Moden für jeden der Strahlen 34-1 bis 34-n ein, so können die Longi- w tudinalwellen gleichzeitig durch den Modulator 36 Phasenverriegelt werden, sofern sie den gleichen Frequenzabstand A to wie die Strahlen, d.h. die transversalen Moden, 34-1 bis 34-n haben·

i Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird ein konventionoller, Ein-Moden-Laser, ein akustischer Beugungs-Frequenz-Schleber und ein Strahlenteiler 54 verwendet. Durch ein· Vielfachbeugung unter dem Bragg'sehen Winkel durch die akustische Well· 54-3 entstehen Docket YO 9« 031 009824/179·

zwei abgestufte Frequenzen aufweisende Strahlengruppen 58 und 60· Die Beugung eines optischen Strahls an einer akustischen Welle wird in einem Aufsatz von E.I. Gordon, Proc. IEEE, 54, 139 (1966) beschrieben. Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung kann der Wirkungsgrad der Beugung durch Verwendung von stehenden Wellen verbessert werden. Jeder Strahl hat zwei Frequenzkomponenten u> _Q - ηΔω, Dadurch entstehen zwei Gruppen von Maxima, die in entgegengesetzten Richtungen über den Schirm wandern*

In der in Fig. S dargestellten Anordnung wird die abgestufte Frequenzen umfassenden Strahlengruppe dadurch erzeugt, daß ein Laserstrahl mehrfach durch die Frequenz-Schieber 122 und 124 geleitet wird. Jeder Frequenzschleber wird durch ein zirkulär polarisiertes ■ elektrisches Feld betätigt und wirkt nur auf zirkulär polarisiertes Licht. Daher ist der Laser-Strahl 102 zirkulär polarisiert. Näher· Einzelheiten über diesen Vorgang sind in einem Aufsatz von CF. Bohrer et al·, Appl.Phys. Letters, 1, 46 (1962) enthalten. Die Frequenzverschiebung wird von einer Änderung der Drehung des zirkulär polarisierten Lichtes begleitet. Um die Frequenz des Strahls nacheinander in der gleichen Richtung zu verschieben, werden zwei Frequenz-Schieber 122 und 124 verwendet, die jeweils eise Verschiebung von Δ co /2 bewirken und deren zirkulär polarisierte Treiberfelder in entgegengesetzten Richtungen rotieren. Die an den spiegelnden Fliehen 106, 108, 116 und 112 auftretenden Phasenverschiebungen werden durch eine in geeigneter Weise orient tierte doppelbrechende Platte 120 kompensiert. Werden diese Phasen-Do cket YO 968 031 0 0 9 8 2 4/1798

verschiebungen nicht kompensiert, so ändern die spiegelnden Flächen die zirkuläre Polarisation des Strahles in eine elliptische Polarisation* Zur gegenseiten Angleichung der Intensitäten der Ausgangsstrahlen ist eine sich senkrecht zum Verlauf der Strahlen 104-1, 114-1 usw· ändernde Durchlässigkeit des Ausgangsspiegels 106 vorgesehen.

In der in Fig. 5 dargestellten Anordnung werden für die Abtastung die konventionellen Frequenz-Schieber 122 und 124 verwendet* Jeder

Modulator wird durch eine Halbwellenspannung V. ._ betätigt* In

Λ./2

dem bisher bekannten elektrooptischen Prismenabtaster ist eine Spannung nV. ._ erforderlich, wobei η die Anzahl der auflösbaren Interferenzflecke ist* Ein derartiger elektrooptischer Prismenabtaster wird beispielsweise in einem Aufsatz von V.J. Fowler et al. Proc. IEEE. 5£, 193, (1964) beschrieben.

Docket YO 968 031 0 0 9 8 2 A / 1 7 9 8

Claims

1955747 PATENTANSPROGHE

1. Verfahren zum optischen Abtasten ein- oder mehrdimensionaler Bereiche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kohärente Strahlen (12-1 bis 12-n) mit vorgegebenen Verhältnissen ihrer Frequenzen, Phasenlagen und/oder räumlichen Anordnungen sowie Aperturen auf dem abgetasteten Bereich zur Interferenz gebracht werden, so daß sich das oder die entstehenden Maxima über diesen Bereich bewegen·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse zwischen den Frequenzen, Phasenlagen und/oder räumlichen Anordnungen sowie Aperturen einzelner Strahlen zwecks Änderung der Abtastgeschwindigkeit, der Abtastebene und/oder der Abtastfleckgröße veränderbar sind.

3· Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärenten Lichtstrahlen durch räumliche Trennung, Phasen- und/oder Frequenzverschiebung eines Laserstrahls außerhalb seines Resonators gebildet werden·

4· Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärenten Lichtstrahlen durch räumliche Trennung, Phasen- und/oder Frequenzverschiebung der zur Interferenz zu bringenden Strahlen im Resonator eines Lasers erzeugt werden.

Docket YO 968 031 009824/1798

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlagen der zur Interferenz zu bringenden Strahlen durch einen akustische Wellen verwendenden Modulator verriegelt werden» so daß in Größe und Vorzeichen gleiche Phasen- und Frequenzabstände zwischen einander benachbarten Strahlen festgelegt werden.

^ 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet» daß die transversalen Moden der zur Interferenz zu bringenden Strahlen verriegelt werden»

7. Verfahren nach den Ansprechen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die longitudinalen Moden der zur Interferenz zu bringenden Strahlen durch die Resonatorbegrenzungen festgelegt werden·

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-7, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Lichtquellen (10-1 bis 10-n) zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von kohärenten Strahlen (12-1 bis 12-n) nit den Frequenzen LO₀ , OJ₀ +4to, ω₃ +2^uJjUJ₀, +3Δυο ,»...«u?₀ +η Δuo ,

9. Anordnung zur Durchführur τ des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-7, gekennzeichne: uvtrch einen Spiegel 55 und durch eine an einer Fläche ait eiitei Antirollschicht (54-1) und an

Docket YO 968 031 009824/1798

BAD ORIGINAL

der anderen Fläche ait einer teildurchlässigen spiegelnden Schicht (54-2) versehenen Anordnung 54 zur Weiterleitung einer Schallwelle der Frequenz Δυο $ von der ein kohärenter Strahl der Frequenzω₀ unter Änderung seiner Frequenz um d<jQ teilweise gebeugt und teilweise durchgelassen wird, wobei ein Teil des gebeugten Anteils jeweils einen der zur Interferenz zu bringenden Strahlen bildet und der andere Teil an der teildurchlässigen spiegelnden Schicht (54-2) und am Spiegel (55) reflektiert wird um von dort wieder zur beugenden Schallwelle zu gelangen, von der er unter erneuter Änderung seiner Frequenz ua A co zur Erzeugung der nächsten der zur Interferenz zu bringenden Strahlen teilweise gebeugt und von der teildurchlässigen spiegelnden Schicht (54-2) zum Spiegel (55) reflektiert wird usw.

10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-7, gekennzeichnet durch vier jeweils paarweise zueinander parallel angeordnete Spiegel (106, 108, 110 und 112) und einen teildurchlässigen Spiegel (106), die einen Strahl durch wiederholte Reflexion in Strahlengruppen verwandeln, deren Strahlen voneinander gleiche Abstände aufweisen, durch in Strahlengang einer dieser Strahlengruppen angeordnete Frequenzschieber (122, 124), die durch zirkulär polarisierte Schallwellen der Frequenz + Au)Z₂ «»d -^u3 I₁ eine Frequenzänderung der sie durchsetzenden zirkulär polarisierten optischen Strahlen um Δ ua ohne eine Änderung ihres Polari-

Docket YO 968 031 0 0 9 8 2 4/1798

bewirken, und durch eine im Verlauf dieser Strahlengruppe hinter dem teildurchlässigen Spiegel (106) angeordnete Linse (126), durch die die jeweils einen Frequenzunterschied von Δ uD aufweisenden Strahlen (102, 114, 116, 118) auf die abzutastende Ebene (130) fokussiert werden.

11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-7, gekennzeichnet durch einen Resonator, der an der einen Seite durch einen eine Auswahl der Longitudinal-Moden bewirkende, eine reflektierende Fläche enthaltende Anordnung (30) und an der anderen Seite durch einen teildurchlässigen Spiegel (32) begrenzt ist, durch eine innerhalb des Resonators im Strahlengang der zur Interferenz zu bringenden Strahlen angeordnete keilförmige Anordnung zur schrittweisen Veränderung der optischen Weglänge der einzelnen Strahlengänge, durch einen zwischen zwei im Resonator angeordneten Linsen (38, 40) liegenden, eine Phasenverriegelung bewirkenden Modulator (36-4), durch ein anregbares Medium (42) und durch eine die Lage und den Durchmesser der zur Interferenz zu bringenden Strahlen bestimmende Aperturplatte (44).

12. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen zur Erzeugung einer in einer Richtung verlaufenden Abtastbewegung in einer Ebene liegen.

Docket YO 968 031 0 0 9 8 2 A / 1 7 9 8

13. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Interferenz zu bringenden Strahlen zwecks Erzeugung eines in zwei Dimensionen verlaufenden Abtastvorganges in Form einer zweidimensional en Matrix angeordnet sind.

Docket YO 968 031 009824/1798

Le e r s e i t e