DE1956747B2

DE1956747B2 - Verfahren zum optischen Abtasten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1956747B2
Application number: DE1956747A
Authority: DE
Inventors: Archibald William Westchester N.Y. Smith (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-11-13
Filing date: 1969-11-12
Publication date: 1978-04-27
Also published as: GB1280520A; JPS4815598B1; US3626321A; FR2023155A1; DE1956747C3; DE1956747A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Abtasten ein- oder mehrdimensionaler Bereiche durch zeilen- oder rasterförmig bewegte Lichtpunkte.

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 Fernsehtech- ^r> nik und die Abtastung des optischen Speichers einer datenverarbeitenden Aniage.

Die Abtastung einer Fläche mit Hilfe eines rasterförmig bewegten Lichtpunktes erfolgte bisher mit Hilfe von Nipkow-Scheiben, periodisch bewegten Spiegeln, κι Kathodeiistrahlröhren oder sog. elektrooptischen Lichtablenkern. Zur Steuerung der zuerst genannten beiden Vorrichtungen sind jeweils ein hoher konstruktiver Aufwand und große mechanische Kräfte, bei den zuletzt genannten beiden Vorrichtungen sind neben r> einem hohen konstruktiven Aufwand auch elektrische Spannungen oder Ströme mit extrem hohen Frequenzen und Amplituden erforderlich. Bei elektrooptischen Lichtablenkern werden für sehr hohe Abtastgeschwindigkeiten hochfrequente Ablenkwechselspannungen benötigt, deren Amplitude im allgemeinen einige Tausend Volt beträgt, so daß besonders in diesem Fall ein extrem hoher technischer Aufwand nicht vermieden werden kann. Darüber hinaus trat bei den für extrem hohe Abtastgeschwindigkeiten besonders geeigneten r> elektrooptischen Lichtablenkern im Dauerbetrieb eine sehr starke Erwärmung ein, wodurch die Abtastgeschwindigkeit derartiger Anordnungen stark herabgesetzt wurde.

In der Literaturstelle »Optische Nachrichtenübertra- m gung durch Holographie« von Dr. Eberhard S ρ i 11 e r, Umschau 1966, Heft 10, Seiten 315 bis 321, wird ein in einer Objektebene liegendes Hologramm zur Erzeugung einer farbigen Rekonstruktion des aufgezeichneten Objektes gleichzeitig mit drei Strahlungen unter- j> schiedlicher Frequenz beaufschlagt. Da die den für die farbige Rekonstruktion vorgesehenen Wellenlängen, es handelt sich um die den Farben Rot, Grün und Blau zugeordneten Wellenlängen sehr weit auseinanderliegen und die Phasenlagen der Strahlungen in keiner Weise miteinander gekoppelt sind, kann kein Interferenzfeld auftreten, dessen Maxima oder Minima sich nach irgendeiner denkbaren Gesetzmäßigkeit periodisch in einer oder mehreren Richtungen verschieben.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren für eine sehr schnelle optische Abtastung anzugeben, bei dem keine Steuerenergien mit periodisch wechselnden Richtungen und Größen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das >n im Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst.

Da gemäß der Erfindung der periodisch über den abzutastenden Bereich bewegte Lichtstrahl im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren nicht durch periodisch ihre Amplitude und Richtung ändernde mechanische Kräfte, elektrische Ströme oder Spannungen, sondern durch ein mehrere definierte Wellenlängen enthaltendes statisches Strahlungsfeld erzeugt wird, ist es möglich, mit einem relativ geringen technischen Aufwand extrem hohe Abtastgeschwindigkeiten zu wi erzielen, die um Zehnerpotenzen über den mit den bisher bekannten Verfahren erreichbaren Abtastgeschwindigkeiten liegen.

Weiterbildungen des Verfahrens sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den en Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1A mehrere kohärente Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Phasenlagen, durch deren Interferenz ein feststehender Lichtfleck in der Brennebene einer Linse erzeugt wird,

F i g. 1B einen Laser-Resonator mit einer Anordnung zur Moden-Verriegelung,

Fig. IC eine schematische Darstellung der Verteilung der Frequenzen eines Laser-Modes und der Frequenzabhängigkeit des Laser-Gewinns,

F i g. 1D eine Darstellung der Seitenbänder, die die Moden-Verriegelung für jede Frequenz bewirken,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem mehrere kohärente Strahlen unterschiedlicher Frequenzen einen bewegten Interferenzfleck erzeugen,

F i g. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Vielzahl von Laserstrahlen durch eine Phasenverriegelungsanordnung in einem Laser-Resonator erzeugt wird,

Fig.4 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Vielzahl von kohärenten Strahlen mit bestimmten Phasenunterschieden durch einen einzigen Laser durch Reflexion, Beugung und Transmission optischer Energie erzeugt wird,

Fig.5 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Vielzahl von Strahlen mit bestimmten Phasenunterschieden durch versetzt angeordnete Spiegel und durch Anordnungen zur Frequenzverschiebung erzeugt werden.

In der eine bekannte Anordnung darstellenden Fig. IA sind B\ bis B_n Lichtstrahlen, die durch eine gemeinsame, nicht dargestellte Lichtquelle und eine Aperturplatte 1/4-1 erzeugt werden. Im Wege dieser Strahlen sind Phasenschieber Pi bis P_n angeordnet, durch die ein bestimmter Phasenunterschied zwischen benachbarten Strahlen erzeugt wird. Die Strahlen B\ bis B_n werden durch eine Linse 1/4-2 auf der Brennebene 1/4-3 fokussiert, die im Abstand F von der Linse angeordnet ist. Die Amplitude der Intensität des Lichtstrahles, der auf einem in der Brennebene angeordneten Target entsteht, wird durch die mit 1/4-4 bezeichnete Kurve dargestellt. Die Lage X des Intensitätsmaximums wird durch ΔΦ bestimmt. Die bei 0,81 des Spitzenwertes gemessene räumliche Ausdehnung Δ χ, in der Targetebene (Rayleighsche Kriterium) ist umgekehrt proportional zur Anzahl der in das Interferenzmuster bildenden Strahlen. Eine derartige Anordnung ist in einem Aufsatz von A. K ο r ρ e 1, Proceedings of IEEE, Oktober 1965, Seite 1666 beschrieben.

In der in Fig. IB dargestellten Anordnung wird ein Laser-Resonator durch einen totalreflektierenden Spiegel lß-1 und durch einen rechts davon angeordneten teildurchlässigen Spiegel iB-2 eingeschlossen. Im Inneren des Resonators ist im Verlaufe des Strahles iB-4 eine Laser-Anordnung 15-3 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 dem in Fig. IB wiedergegebenen Laser-Resonator auftreten können, haben die in Fig. IC dargestellte Verteilung. Die Einhüllende des Gewinns ist als Funktion der Frequenz aufgetragen. Die Breite der Einhüllenden des Gewinns ist in Höhe des halben Gewinnintensitätsmaximums gemessen und beträgt öf. Es liegt eine Verteilung der Longitudinal-Resonator-Moden mit einer Frequenzse-

paration von Af = c/2 L 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 lß-4 ist eine Modulatoranordnung lß-5 mit einer Frequenz von c/2 L = !/(Übergangszeit) angeordnet. Die Gegenwart des Modulators 1B-5 hat, wie aus Fig. ID ersichtlich, die Wirkung, daß für jedes Mode der Verteilung der in Fig. IC dargestellten Frequenzen jeweils eine Hauptfrequenz fm und jeweils eine Seitenfrequenz f\₅ und /2s auf beiden Seiten der Hauptfrequenz vorliegt. Das Vorliegen dieser Seitenfrequenzen hat zur Folge, daß die Resonator-Moden in einem Moden-Phasenverhältnis gekoppelt werden, das durch die Seitenbandfrequenzen bestimmt ist. Die Form des aus den in F i g. 1B dargestellten Laser-Resonators auftretenden Strahlungsmusters ist rechts von F i g. 1B dargestellt, wobei die Breite der aus dem halbdurchlässigen Spiegel in zeitlicher Aufeinanderfolge auftretenden Impulse angenähert I/o/ist und wobei die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen durch die Übergangszeit T = 2 LJc bestimmt wird.

In F i g. 2 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das an einen Target 20 entstehende Interfrequenzmuster 18 wird durch von Lichtquellen 10-1 bis 10-n ausgehende kohärente Lichtstrahlen 12-1 bis 12-/? gebildet, die durch Aperturen 11-1 bis 11-n hindurchtreten. Die vorzugsweise als Laser ausgebildeten Lichtquellen 10-1 bis 10-n sind in an sich bekannter Weise so ausgebildet und miteinander gekoppelt, daß die von allen Lichtquellen emittierten Strahlungen zu einem gegebenen Zeitpunkt die gleiche Phasenlage haben und die Frequenzunterschiede Δω, 2Δω,..., πΔω zumindest für die Dauer eines Abtastzyklus mit großer Genauigkeit konstant bleiben. Durch eine optische Linse 14 werden die Lichtstrahlen 12-1 bis 12-n zum Brennpunkt dieser Linse gebeugt, dessen Abstand zur Linse gleich Fist. Die Frequenzen der Lichtstrahlen 12-1 bis 12-n sind α>ο, ωο + Δω,..., ωο + (η— \)Δω. Das auf dem Target 20 dargestellte Interfrequenzmuster 18 weist eine Vielzahl von als Keulen wiedergegebenen Maxima auf, von denen die stärksten L-I ... L-4 wiedergegeben sind. Das dargestellte Interferenzmuster 18 bewegt sich, da die unterschiedlichen Frequenzen ω, ω + Δω, ω + 2Δω, ...,ω + ηΔω der Strahlen 10-1 bis 10-η eine ständige Änderung der Relativphasenlage zur Folge haben, mit konstanter Geschwindigkeit entlang einer in der Figur 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 Interferenzmusters überstreichen zu lassen.

In dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Resonator eines Lasers durch eine totalreflektierende, zur Selektion von Longitudinal-Moden ausgebildete Anordnung 30 und eine halbdurchlässige spiegelnde Fläche 32 begrenzt. Eine keilförmige, zur stufenweisen Abstimmung vorgesehene Anordnung 33 zur Frequenzverschiebung der kohärenten Strahlen 34-1,..., 34-n ist innerhalb des Resonators vorgesehen. Ein phasenkoppelnder Modulator 36 ist zwischen Linsen 38 und 40, die ebenfalls im Resonator des Lasers liegen, angeordnet. Zwischen der Linse 40 und der halbdurchlässigen spiegelnden Fläche 32 ist die die eigentliche optische Verstärkung bewirkende Anordnung 42 und eine Aperturplatte 44 angeordnet.

Die die eigentliche Verstärkung bewirkende Anordnung 42 besteht aus einer Quelle für kohärente optische Energie und den erforderlichen Mitteln zur Anregung bzw. Erzeugung und Zufuhr der Pump-Energie. Der ·■> Phasenkoppelmodulator 36 besteht aus einer Frequenzquelle 36-1, einem Wandler 36-2 und einer Debye-Sears-Anordnung 36-4, in der eine Beugung optische] Strahlen an akustischen Wellen stattfindet.
Die Phasenkoppelung im Modulator 36 erfolgt

κι dadurch, daß ein Teil des einfallenden Strahles um einen Winkel gebeugt wird, der gleich dem Winkel zwischen zwei benachbarten, die Anordnung verlassenden Strahlen ist, und daß die Frequenz des gebeugten Strahles um einen Betrag verschoben wird, die gleich der Frequenz-

i) differenz zwischen zwei benachbarten Strahlen ist. Durch diese Anordnung wird das in den F i g. 1B, 1C und ID erläuterte Verfahren zur Phasenkoppelung auf in verschiedenen Richtungen sich fortpflanzende Strahlen erweitert und ermöglicht es, eine Transversalkoppelung

2(i der Moden der Ausgangsstrahlen 34-1, .., 34-/1 durchzuführen. Die dargestellten modengekoppelten Strahlen weisen die Kohärenz auf, die zu der im Zusammenhang mit F i g. 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 ein Longitudinal-Mode enthalten. Wie schon im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. IC ausgeführt, haben die Longitudinal-Moden einen Abstand von Af=c/2L

in Normalerweise liegt eine größere Anzahl dieser Frequenzen unter der Gewinneinhüllenden des Lasers. Zur Beschränkung des Sendens eines Lasers auf ein einziges von einer Vielfalt von möglichen Longitudinal-Moden ist eine ganze Reihe von Verfahren bekannt, die

i) beispielsweise in den Aufsätzen von M. DiDomenic a, et al, Applied Physics Letters, 8,180 (1966); von D. G. C a r 1 s ο η et al. in IEEJ. of Quantum Electronics, Vol. QE-4, p. 93, 1968 und von P. W. Smith in IEEF.J. of Quantum Electronics, Vol. QE-I, p. 343, 1965 beschrie-

4Ii ben werden. Die in den obengenannten 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 einem einzigen Longitudinal-Mode schwingt.

4-1 In der in F i g. 4 dargestellten Anordnung ist ein Laser 50 zur Erzeugung eines Einzel-Longitudinal- und Transversal-Modes vorgesehen, dessen Strahl 52 auf eine mit einer Antireflexschicht 54-1 überzogene Fläche eines Modulators 54 fällt, in dem die Modulation mittels

-,(i akustischer Wellen erfolgt. Die gegenüberliegende Fläche dieses Modulators ist mit einer teildurchlässigen spiegelnden Schicht 54-2 überzogen. Ein in Richtung des Pfeiles 53 verlaufender Strahl wird von dem akustischen Wellenzug 54-3 teilweise durchgelassen und teilweise

Vi gebeugt.

Der gebeugte Strahlungsanteil wird von der teildurchlässigen spiegelnden Fläche 54-2 teilweise durchgelassen und teilweise reflektiert. Als Ergebnis dieses vollständigen Beugens, Durchlassens und Reflektiert-

ho Werdens treten in der in Fig.4 dargestellten Anordnung zwei optische Strahlengruppen 58 und 60 auf, bei denen zwischen jedem Strahlenpaar geeignete Frequenzunterschiede bestehen, so daß, wie im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben, sich bewegende Lichtflek-

t·) ke erzeugt werden.

In dem in Fig.5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Abtaststrahl 102 durch einer Laser 100 erzeugt, der eine kontinuierliche Strahlung

mit einem Einzel-Mode erzeugt. Durch eine besondere Spiegelanordnung wird eine Vielfalt von Strahlen erzeugt, deren Frequenzen sich jeweils um diskrete Werte voneinander unterscheiden. Der durch den obengenannten Laser erzeugte Strahl 102, ist, wie durch die eingezeichneten kreisförmigen Pfeile 104 angedeutet, zirkulär polarisiert. Ein teildurchlässiger Spiegel 106 läßt einen Teilstrahl 104-1 durchtreten und reflektiert einen Teilstrahl 104-2. Der Strahl 104-2 wird nacheinander an 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 dem Strahl 114 den gewünschten Abstand d zu erzeugen. Jeder der Spiegel 106,108, UO und 112 schließt mit der Richtung des Strahls 102 einen Winkel von angenähert 45° ein. Im Verlauf der Strahlen 114, 116, 118 sind Frequenzschieber 122 und 124 angeordnet, die mit der Frequenz Δω/2 betrieben werden, der eine in positiver Richtung und der andere in negativer Richtung, so daß die Polarisationsrichtung des übertragenen Strahls beibehalten wird, der als Strahl 114 aber mit einer Frequenz ω+Δω weitergeleitet wird. Im Verlauf der Strahlen 114,116 und 118 ist auch eine doppelbrechende Kompensatorplatte 120 angeordnet, durch die bewirkt wird, daß die Strahlen 102,114,116 und 118 die gleiche Rotationsebene haben. Durch eine 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 folgenden wird die Funktionsweise der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Wird, wie in F i g. 2 dargestellt, eine Vielzahl von jeweils um Δω voneinander verschiedenen Strahlen mit Hilfe einer Linse 14 auf einem Schirm 20 fokussiert, so

entsteht eine Reihe von Maxima, beispielsweise L-I

L-A, die über den Schirm entlang der Targetspur verschoben werden. Die Abtastgeschwindigkeit wird durch die Formel Γ_€—ΡΚΔίΙά bestimmt, wobei F die Brennweite der Linse, λ die mittlere Wellenlänge des Lichtes, Δ f der Frequenzunterschied zwischen den Strahlen {Δί< <fo=c/K) und d der Abstand zwischen den Strahlen ist. Die Abtastgeschwindigkeit wird durch Vergrößerung von Δί vergrößert. So wird beispielsweise bei A = 6-10-⁵cm, 4Z=IO⁹
F= 15 cm, die Abtastgeschwindigkeit r_e= 10⁸ cm/s sein. Die Anzahl der auflösbaren Lichtflecke in der Brennebene der kollimierenden Linse hängt von Δχ des obenerwähnten Rayleigh Kriteriums ab und ist gleich der Anzahl der Strahlen n. Die Anzahl der Maxima oder Keulen des Frequenzmusters ist durch die Größe der Apertur A der Lichtquellen bestimmt, während die Abstände 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 et al.(Pergamon Press, 1959) enthalten.

Die Wellenamplitude bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung von kohärenten Strahlen in Richtung ρ und zum Zeitpunkt (wird durch folgende Formel gegeben

1 f°° -=— Λ (in - η

2 Π ./-co

wobei eine Fraunhoferbeugung an unendlich langen Spalten angenommen wird. In dieser Gleichung ist ω die Winkelfrequenz, Δω der Frequenzunterschied zwischen den Quellen, Jt₀ die durchschnittliche Wellenzahl des Lichtes und U°(_P) die Winkel verteilung der von den <-, einzelnen Quellen ausgehenden Strahlen. Der räumliche Phasenfaktor e^k"^dP" wird für alle Quellen als gleich angenommen, da

Δω< <O)₀=Ot₀.

ίο Diese Annahme ist mit den von Born in der obengenannten Literaturquelle für die Fraunhoferbeugung gemachten Annäherung verträglich.

Bei p=0 (F i g. 2) erhält man ein Intensitätsmaximum auf der Achse 21, das sich mit der Periode T= MΔω verändert, d. h., es entsteht ein Impulszug der den Impulsen 1J3-6 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

re = F \ni/k„d = FK_nAfId.

In der Anordnung nach F i g. 3 wird ein Vielfachmoden-Laser mit einer Aperturplatte 44 zur Erzeugung räumlich verteilter kohärenter Strahlen, und eine lineare

jo 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 Δω betrieben wird, bewirkt eine Koppelung der transversalen Laser-Moden.

Soll eine Phasenkoppelung zwischen zwei Moden mit verschiedener Richtung und verschiedenen Frequenzen durchgeführt werden, wie das beispielsweise bei der in F i g. 3 dargestellten Anordnungen der Fall ist, muß ein durch den Modulator aufgrund des ersten Modes hergestelltes Seitenband in bezug auf Richtung und Frequenz mit dem zweiten Mode übereinstimmen. Dies wird mit Hilfe des in F i g. 3 dargestellten akustischen Beugungsmodulators 36 und dadurch erreicht, daß die

45 Winkel zwischen den Moden auf den Wert ΔΦ = mkjk_o eingestellt werden, wobei m eine ganze Zahl und k_ac und ko die akustischen bzw. die optischen Wellenvektoren sind. Die Beugungsmaxima eines Modes, die durch die d= 10 -²cm und akustische Frequenz frequenzverschoben werden, stim-

men mit den Richtungen anderer Moden überein. Ist die gebeugte Intensität genügend groß, so bestimmt die Phase der gebeugten Seitenbänder des ersten Modes, d. h. f\s und F_2s in der Darstellung gemäß Fig. ID, 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-/V ein, so können die Longitudinal-

Wi wellen gleichzeitig durch den Modulator 36 phasengekoppelt werden, sofern sie den gleichen Frequenzabstand Δω wie die Strahlen (transversale Moden) 34-1 bis 34-n haben. '

Im Ausiführungsbeispiel nach F i g. 4 wird ein konven-

tic- tioneller, Ein-Moden-Laser, ein akustischer Beugungs-Frequenz-Schieber und ein Strahlenteiler 54 verwendet. Durch eine Vielfachbeugung unter dem Braggschen Winkel durch die akustische Welle 54-3 entstehen 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 ω_ο±ηΔω. Dadurch entstehen zwei Gruppen von Maxima, die in entgegengesetzten Richtungen über den Schirm wandern.

In der in Fig.5 dargestellten Anordnung wird die abgestufte Frequenzen umfassende Strahlengruppe dadurch erzeugt, daß ein Laserstrahl mehrfach durch die Frequenz-Schieber 122 und 124 geleitet wird. Jeder Frequenzschieber wird durch ein zirkulär polarisiertes elektrisches Feld erregt und wirkt nur auf zirkulär polarisiertes Licht. Daher ist der Laser-Strahl 102 zirkulär polarisiert Nähere Einzelheiten über diesen Vorgang sind in einem Aufsatz von C. F. B u h r e r 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 eine Verschiebung von Δω/2 bewirken und deren zirkulär polarisierte Treiberfelder in entgegengesetzten Richtungen rotieren. Die an den spiegelnden Flächen 106, 108,116 und 112 auftretenden Phasenverschiebungen werden durch eine in geeigneter Weise orientierte doppelbrechende Platte 120 kompensiert. Werden diese Phasenverschiebungen nicht kompensiert, so ändern die spiegelnden Flächen die zirkuläre Polarisation des Strahles in eine elliptische Polarisation. Zur gegenseitigen 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 F i g. 5 dargestellten Anordnung werden für die Abtastung die konventionellen Frequenz-Schieber 122 und 124 verwendet. Jeder Modulator wird durch eine Halbwellenspannung Vm erregt. In dem bisher bekannten elektrooptischen Prismenabtaster ist eine Spannung η Vvi erforderlich, wobei η die Anzahl der auflösbaren Interferenzflecke ist. Ein derartiger elelctrooptischer Prismenabtaster wird beispielsweise in einem Aufsatz von V. J. F ο w I e r et al., Proc. IEEE, 52, 193(1964)beschrieben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum optischen Abtasten ein- oder mehrdimensionaler Bereiche durch zeilen- oder rasterförmig bewegte Lichtpunkte, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kohärente Lichtstrahlen (12-1 bis i2-n)\m abzutastenden Bereich zur Interferenz gebracht werden, deren Frequenzen (ω, ω+Δω, ω + 2Δω, ..., ω + πΔω) mindestens für die Zeit eines Abtastzyklus konstant sind, derart, daß, bedingt durch die aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen kontinuierlich sich ändernden Relativphasenlegen der Strahlen in Bezug aufeinander, die Maxima des entstehenden Interferenzfeldes sich kontinuierlich in mindestens einer in. wesentlichen senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Strahlen verlaufenden Richtung verschieben.

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

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärenten Lichtstrahlen durch räumliche Trennung, Phasen- oder Frequenzverschiebung eines Laserstrahls außerhalb des Laserresonators gebildet werden.

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

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

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Moden der zur Interferenz zu bringenden Strahlen gekoppelt werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die longitudinalen Moden der zur Interferenz zu bringenden Strahlen gekoppelt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Lichtquellen (10-1 bis IQ-η) zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von kohärenten Strahlen (12-1 bis \2-n) mit den Frequenzen ωό, coo+Δω, ωό+2Δω, ωο+3Δω,..., ωο+(π — 1 )Δω.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Spiegel (55) und durch eine an einer Fläche mit einer Antireflexschicht (54-1) und an der gegenüberliegenden Fläche mit einer teildurchlässigen spiegelnden Schicht (54-2) versehenen Anordnung (54) zur Weiterleitung einer Schallwelle der Frequenz Δω, von der ein kohärenter Lichtstrahl der Frequenz ωο teilweise durchgelassen und unter Änderung seiner Frequenz um Δω teilweise gebeugt wird, wobei der durchgelassene Teil und ein Teil des gebeugten Anteils jeweils einen der zur Interferenz zu bringenden Strahlen bilden und der andere Teil des gebeugten Anteils 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 teilweise durchgelassen und teilweise unter erneuter Änderung seiner Frequenz um Δω zur Erzeugung der nächsten der zur Interferenz zu bringenden Strahlen teilweise gebeugt und von der teildurchlässigen

ι» spiegelnden Schicht (54-2) zum Spiegel (55) reflektiert wird usw.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch vier jeweils paarweise zueinander parallel angeord-

r> nete Spiegel (106,108, UO und 112), von denen einer (106) teildurchlässig ist, die einen Strahl durch wiederholte Reflexion in Strahlengruppen verwandeln, deren Strahlen voneinander gleiche Abstände aufweisen, durch im Strahlengang einer dieser

-'» Strahlengruppen angeordnete Frequenzschieber (122, 124), die durch zirkulär polarisierte Schallwellen der Frequenz +Δω/2 und —Δω/2 eine Frequenzänderung der sie durchsetzenden zirkulär polarisierten optischen Strahlen um Δω ohne

y> Änderung ihres Polarisationszustandes bewirken, und durch eine im Verlauf dieser Sirahlengruppe hinter dem teildurchlässigen Spiegel (106) angeordnete Linse (126), durch die die nunmehr jeweils einen Frequenzunterschied von Δω aufweisenden Strahlen

)() (102,114,116,118) auf die abzutastende Ebene (130) fokussiert werden.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Resonator, der an der einen Seite durch einen

π 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

4» 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,

4> eine Phasenkoppelung 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).

^r>()

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen zur Erzeugung einer in einer Richtung verlaufenden Abtastbewegung in einer Ebene liegen.

«

13. Vorrichtung 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 zwei-

w) dimensionalen Matrix angeordnet sind.