DE2011864B2

DE2011864B2 - Lichtablenker zur digitalen Ablenkung eines Lichtstrahls durch steuerbare Störung der Totalreflexion

Info

Publication number: DE2011864B2
Application number: DE702011864A
Authority: DE
Inventors: Anton George Boulder Col. Wellbrock (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-03-28
Filing date: 1970-03-13
Publication date: 1979-03-08
Also published as: DE2011864C3; US3552825A; DE2011864A1; FR2032909A5; GB1280775A; SE362560B

Description

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Die Erfindung betrifft einen Lichtablenker zur digitalen Ablenkung eines Lichtstrahls durch steuerbare Unterdrückung der Totalreflexion.

Auf zahlreichen Gebieten der Technik, insbesondere auf den Gebieten der Datenübertragung und der Datenverarbeitung werden im zunehmenden Umfang optische Elemente und Anordnungen verwendet. Eines der wichtigsten dieser Elemente sind die sogenannten digitalen Lichtablenker, durch die ein Lichtstrahl steuerbar in eine Vielzahl von zueinander parallelen räumlichen Lagen und/oder in eine Vielzahl von vorgegebenen Winkelstellungen gebracht werden kann. Diese Anordnungen werden beispielsweise zur fernsehmäßigen Abtastung von Bildflächen, zur Projektion von Bildern oder zum Ein- und Auslesen von Speichern verwendet.

In der DE-PS 12 50 172 wird eine elcktrooptische Druckeinrichtung mit einer aus mehreren einzeln ansteuerbaren Ablenkstufen bestehenden' Anordnung zur steuerbaren Ablenkung eines Lichtstrahls beschrieben, (ede Ablenkstufe besteht aus einem elektrooptischen Element zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene des abzulenkenden Lichtstrahls um einen Winkel von 90° und einem nachgeschalteten doppelbrechenden Kristall, den der Strahl in Abhängigkeil von der Lage seiner Polarisationsrichtung entweder aL ordentlicher oder als außerordentlicher Strahl durchsetzt. Bei den meisten Anwendungen muß der Strahl in eine große Anzahl von diskreten Lagen verschoben werden, so daß eine Vielzahl von Ablenkstufen erforderlich ist Das hat zur Folge, daß derartige Ablenkvorrichtungen sehr viel Raum in Anspruch nehmen, sehr kostspielig sind und, bedingt durch die große Anzahl von im Strahlengang liegenden Kristallflächen, hohe Lichtverluste aufweisen.

Es wird ausgegangen von dem DE-Patent 18 06 763 als zu berücksichtigendem älteren Recht, siehe Oberbegriff des Anspruchs 1. Der in diesem Patent beschriebene Lichtablenker besteht aus einem mindestens eine totalreflektierende Fläche aufweisenden Körper und aus mindestens einer an einer dieser Flächen angeordneten Glasplatte, deren der totalreflektierenden Fläche abgewandte Fläche totalrcflektierend ausgebildet oder mit einem Reflexbelag versehen ist.

Lichtablenker dieser Art haben den Nachteil, daß sie bei Ausbildung für eine größere Anzahl von Ablenkpositionen unverhältnismäßig groß und schwer sein müssen.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen Lichtablenker von relativ kleinen Abmessungen und geringem Gewicht anzugeben, durch den ein Lichtstrahl mit einem begrenzten technischen Aufwand in eine relativ große Anzahl von diskreten Lagen überführt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

Während bei den bisher bekanntgewordenen Lichtablenkern der oben beschriebenen Art für jede diskrete Lage des abzulenkenden Strahls eine totalreflektierende Fläche des Grundkörpers, mindestens aber ein zur Aufnahme eines steuerbaren Ablenkelements erforderlicher Bereich einer solchen Fläche erforderlich war, was bei großen Anzahlen von diskreten ansteuerbaren Lagen des abzulenkenden Strahls zu unverhältnismäßig großen und schweren Vorrichtungen führte, können die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Lichtablenker, bedingt durch die stapeiförmige Anordnung relativ großer Zahlen von steuerbaren lichtablenkenden Elementen an einem einzigen Bereich einer totalreflektierenden Fläche des Grundkörpers, in ganz erheblichem Umfang verkleinert und vereinfacht werden.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. I ein Element zur steuerbaren Störung der Totalreflexion mit einem ringförmigen piezoelektrischen Kristall.

Fig. 2 ein Ausfiihrungsbeispicl der Erfindung, beste-

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hend aus einem Prisma und einem Stapel von gemäß der Darstellung nach Fig. 1 ausgebildeten Elementen zur steuerbaren Störung der Totalreflexion,

Fig. 3 eine Wiedergabe der in Fig. 2 dargestellten Anordnung, bei der die obersten drei Elemente zur steuerbaren Störung der Totalreflexion erregt sind,

F i g. 4 ein flüssigkeitsgefülltes Element zur steuerbaren Störung der Totalreflexion,

F i g. 5 ein Au^führungsbeispiel der Erfindung, bestehend aus einem Prisma und darauf angeordneten flüssigkeitsgefüllten Elementen zur steuerbaren Störung der Totalreflexion,

F i g. 6 die Wiedergabe der in F i g. 5 dargestellten Anordnung, bei der die Elemente zur steuerbaren Störung der Totalreflexion erregt sind.

Das in Fig. 1 dargestellte Element zur steuerbaren Störung der Totalreflexion besteht aus einer Glasplatte 10, die von einem ringförmigen piezoelektrischen Kristall 12 umgeben ist. In der Nachbarschaft des Kristalls 12 ist in der Glasplatte 10 eine ringförmige Ausnehmung 14 angeordnet.

Die Ausdehnungsrichtung des piezoelextrischen Kristalls 12 liegt parallel zur Ebene der Glasp'aiie 10, während die Richtung des diesen Kristall erregenden elektrischen Feldes senkrecht dazu liegt. Das diesen i^r> Kristall erregende elektrische Feld wird durch die an seinen oberen und unleren Flächen angeordneten Elektroden 16 und 18 erzeugt, die mit den Zuleitungen 20 und 22 versehen sind. Wird der piezoelektrische Kristall 12 durch ein mittels der Elektroden 16 und 18 erzeugtes elektrisches Feld erregt, so zieht er sich in Richtung der Ebene der Glasplatte 10 zusammen, so daß auf diese Platte ein Druck ausgeübt wird. Dabei biegt sich die Platte im Bereich der ringförmigen Ausnehmung 14 und wölbt sich nach oben.

In den Fig. 2 und 3 wird ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit solchen Elementen zur steuerbaren Störung der Totalreflexion und zur Reflexion des Strahles wiedergegeben. F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Prisma, auf dem ein Stapel von aus nichtdurchgebogenen Platten bestehenden steuerbaren Elementen zur Störung der To'.alreflexion angeordnet ist. Fig.3 zeigt eine Schnittansicht durch die gleiche Anordnung, wobei die obersten drei Platten durch Anlegung von elektrischen Feldern an die sie umgebenden ringförmigen piezoelektrischen Kristalle durchgebogen sind.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ansicht durchsetzt ein Lichtstrahl 24 das rechtwinklige Prisma 26 und die so Platten 27 bis 30. Der Strahl wird an der oberen Fläche der obersten Platte 27 totalreflektiert und durchsetzt den Plattenstapel und das Prisma 26 ein zweites Mal. Der Strahl wird an der oberen Fläche der Platte 27 totalreflektiert, da er auf diese Fläche unter einem Winkel auftritt, der größer als der kritische Winkel der Totalreflexion ist. Bekanntlich ist der kritische Winkel der Totalreflexion derjenige Winkel, bei dem der Sinus des Einfallwinkels größer als der Brechungsindex des an die totalreflektierende Fläche angrenzenden Mediums, m> gebrochen durch den Brechungsindex des die totalreflektierende Fläche aufweisenden Mediums ist. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung besteht beispielsweise aus einem Glasprisma und aus Glasplatten, die von Luft oder Vakuum unigfben werden. Selbstverständlich können auch andere Materialien mit anderen Brechungsindizes verwende·., werden. Es ist nur erforderlich, daß das das Prisma und die Platten umgebende Medium einen niedrigeren Brechungsindex als diese hai. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, so kann bekanntlich keine Totalreflexion auftreten.

Der Strahl 24 durchsetzt alle Ablenkplatten, da diese Platten miteinander in optischem Kontakt stehen. Die Flächen dieser Platten sind poliert und liegen in einem so kleinen Abstand voneinander ('/4 bis '/a der Wellenlänge), daß keine Totalreflexion an den sie begrenzenden Flächen auftreten kann. Die Platten haben den gleichen oder annähernd gleichen Brechungsindex wie das Prisma, was zur Störung oder Unterdrückung der Totalreflexion führt.

Zur Veränderung des Weges des Strahles 24 werden bestimmte Elemente des auf der totalreflektierenden Fläche des Prismas 26 angeordneten Stapels erregt, so daß der optische Kontakt mit den Platten der darunterliegenden Elemente unterbrochen wird. Bei der in F i g. 3 dargestellten Anordnung durchläuft der Strahl 24 den Weg 24D. Bei dem in dieser Figur dargestellten Erregungszustand der Elemente zur steuerbaren Störung der Totalreflexion erfolgt die Toiairiiexion an der oberen Fläche der Platte 30, da die die Platten 27,28 und 29 enthaltenden Elemente erregt und die zugehörigen Platten nach oben gebogen sind. Dadurch entsteht ein Abstand zwischen den Platten 30 und 29, so daß an der oberen Fläche der Platte 30 Totalreflexion stattfindet. Es würde selbstverständlich auch genügen, nur das die Platte 29 enthaltende Element zu erregen, um den optischen Kontakt der oberen Fläche der Platte 30 mit der unteren Fläche der Platte 29 zu unterbrechen. Es ist jedoch vorteilhaft, alle über der Platte 30 liegenden Elemente zu erregen, so daß sich alle Platten gleichzeitig durchbiegen und die unterste Platte nicht allein auch die zur Durchbiegung der darüberliegenden Platte erforderliche Kraft aufbringen muß.

Der Betrag der Ablenkung des Strahls 24 wird in F i g. 3 durch den Abstand zwischen den in gestrichelten Linien eingezeichneten Strahlengang 24/4 bei nichtdurchgebogenen Platten 27 bis 30 und dem durch die ausgezogene Linie 24D dargestellten Strahlengang bei durchgebogenen Platter. 27 bis 29 wiedergegeben. Durch die Ansteuerung anderer Platten des Stapels können andere Ablenkgrößen verwirklicht werden. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Plattenstapel sind fünf verschiedene Ablenklagen, dargestellt durch die Strahlenwege 24A 24S. 24C. 24D und 24£ möglich. Zur Erhöhung der Anzahl der möglichen Ablenklagen muß die Anzahl der Ablenkplatten erhöht werden.

Zur Verdeutlichung der Darstellung wurden die in den F i g. 2 und 3 dargestellten Platten, insbesondere die Durchbiegung der Platten in Fig. 3, stark übertrieben dargestellt. Tatsächlich würde eine Durchbiegung um wenig» tausend Ä genügen. Die Größe der Durchbiegung ist im übrigen von der Wellenlänge des abzulenkenden Lichtes abhängig. Um eine vollständige Totalreflexion an den jeweils gewünschten Flächen sicherzustellen, sollte der durch die Durchbiegung erzeugte Abstand zwischen zwei Platten des Stapels oder zwischen der untersten Platte und der Prismenfläche ungefähr zwei Wellenlängen des abzulenkenden Lichtes betragen. Um eine vollständige Unterdrückung der Totalreflexion sicherzustellen, sollte der Abstand zwischen den Flächen nicht erregter Platten bzw. zwischen der Fläche einer nicht erregten Platte und der totalreflektierenden Fläche des Prismas zwischen Vu bis ¹A der Wellenlänge des abzulenkenden Lichtes liegen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den F i g. 5 und b beschrieben. Das dabei verwendete.

mil einer Flüssigkeit gefüllte Element zur steuerbaren Störung der Totalreflexion wird in I·" i g. 4 dargestellt. Das in dieser F^:igur dargestellte Element hat den Vorteil, daß auch Ablenkungen in der Größenordnung von mehreren Millimetern mit der gleichen Geschwindigkeit wie Ablenkungen um wenige μηι durchgeführt werden können. Bei dem in F i g. I dargestellten Element ist die Ablenkung eine Funktion der Dicke der Platte 10. Für große Ablenkungen muß die Dicke und somit auch die Masse dieser Platte entsprechend groß to gemacht werden, so daß die Ablcnkgeschwindigkeit unter der Voraussetzung etwa gleicher Ablenkkräfte unter Umstanden ganz wesentlich sinkt. Für Ablenkungen von mehr ah einigen Millimetern ist daher die in den F i g. 5 und b dargestellte Anordnung vorzuziehen.

Bei der Darstellung in Fig. 4 ist ebenso wie bei der Darstellung in Fig. I ein Teil des Elements weggelassen. Der biegsame Teil des mit einer Flüssigkeit gefüllten Elements besteht aus einer Gl;isnl;itlr Xl mil der ein piezoelektrischer Kristall 34 verbunden ist. Die oberen und unteren !lachen dieses Kristalls sind mit Elektroden 35 und 36 überzogen, die mit elektrischen Anschlüssen 38 und 40 verbunden sind. Über diese elektrischen Anschlüsse können die F.lektroden 35 und 36 mit einer geeigneten Spannungsquellc verbunden 2Ί werden, so daß der piezoelektrische Kristall 34 sich unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes in Richtung der Ebene der Platte 32 zusammenzieht.

Durch die Kontraktion des piezoelektrischen Kristalls 34 wird die Glasplatte 32 zusammengedrückt und biegt sich nach unten durch. Eine das Element nach oben abschließende Glasplatte 42 ist so ausgebildet, daß sie sich dabei nicht durchbiegt. Es ist aber auch möglich, diese Platte so dünn und biegsam auszubilden, daß sie sich ebenfalls durchbiegt. Zwischen den beiden Platten J5 32 und 42 befindet sich eine Flüssigkeit, beispielsweise Immersionsöl. das im wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Glasplatte hat. Die untere Flache der Glasplatte 42 wird mit der oberen Fläche des piezoelektrischen Kristalls 34 durch e.ne U-förmige Membran 44 verbunden, durch die bei Durchbiegung der Glasplatte 32 ein Volumenausgleich eintreten kann, durch den eine Durchbiegung der Platte 42 vermieden wird. Durch diese Anordnung wird eine sehr schnelle Durchbiegung der Platte 32 möglich. Eine Glasplatte von der Dicke des flüssigkeitsgefüllten Elements hätte eine wesentlich geringere Durchbiegegeschwindigkeit.

Bei dem in Fig. 5 als Schnittansicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen sowohl das Prisma 46 als auch die Elemente des Stapels an ihren oberen Flächen ringförmige Wülste 48 auf. die eine innere abgeschrägte Kante 49 haben, um sicherzustellen, daß die Platte 32 sich nach unten durchbiegt, wenn sie zusammengedrückt wird. Diese ringförmigen Wülste tragen die durchbiegbaren Platten der jeweils unmittelbar darüberliegenden Elemente zur steuerbaren Störung der Totalreflexion. Durch die ringförmigen Wülste 48 wird sichergestellt, daß zwischen den Glasplatten 32 jeder einzelnen Zelle und der darunterliegenden Zelle oder der oberen Fläche des Prismas 46 der erforderliche Abstand aufrechterhalten wird.

Wie aus F" i g. 5 ersichtlich, tritt ein Lichtstrahl 50 in das Prisma 46 ein und wird an seiner oberen Fläche totalrcflekticrt, um in Richtung des Slrahlenwcges 50/1 aus dem Prisma auszutreten. Zur Verschiebung des Strahlenwcges wird der piezoelektrische Kristall des Elements 52 oder die piezoelektrischen Kristalle der Elemente 52 und 54 erregt. In der Darstellung nach I i g. 6 sintl die piezoelektrischen Kristalle der Elemente 52 und 54 erregt, so daß sich die Glasplatten 32 dieser Elemente nach unten durchbiegen und einen optischer Kontakt mit den unmittelbar darunterliegenden Glas platten herstellen. Der Lichtstrahl 50 verläßt dann da* Prisma 46, tritt durch das Element 52 und 54 durch und wird :in rli-r ohrrrn Gren/flächr des Elements 54 totalrcflekticrt. Der Lichtstrahl durchsetzt dann erneui die steuerbaren Elemente 52 und 54 und das Prisma um: verläßt dieses auf dem Wege 50C". Wird dagegen nur der piezoelektrische Kristall des Elements 52 erregt, so wirt der Strahl 50 an der totalreflcktiercndcn F lache de Elements 52 reflektiert und vorläßt das Prisma auf den Wege 50Ö.

Wie aus F-" i g. 6 ersichtlich, kann der Strahl 50 je nach der Anz.i'M der erregten Elemente zur steuerbarer Störung der Totalreflexion in drei verschiedene Lager gebracht werden. Die Anzahl der möglichen Ablcnkla gen kann durch Firhöhung der im Stapel enthaltenen mil Flüssigkeit gefüllten Elemente zur s'.euerbarcn Störung der Totalreflexion erhöht werden.

Ein besonderer Vorteil der in den Fig.4 bis t dargestellten, mit Flüssigkeit gefüllten Elemente besteht darin, daß die Totalreflexion an der Prismenfläche oder an einem Element beim unerregten Zustand der Elemente erfolgt, da in diesem Zustand kein optischer Kontakt zwischen den einzelnen Elementen bzw zwischen dem untersten Element und der totalreflektierenden Fläche des Prismas besteht. Bei den in den F i g. 1 bis 3 dargestellten, aus einer festen Substanz bestehenden steuerbaren Elementen zur Störung der Totalreflexion liegen die Verhältnisse umgekehrt. Es ist selbstverständlich auch möglich, die mit Flüssigkeit gefüllten steuerbaren Elemente zur Störung der Totalreflexion so auszubilden, daß die Totalreflexion im nichterregten Zustand gestört wird. Andererseits können die ausschließlich aus Festkörpern bestehenden steuerbaren Elemente zur Störung der Totalreflexion so ausgebildet werden, daß die Störung der Totalrefle.' on im erregten Zustand erfolgt. Desgleichen ist es möglich, anstelle der piezoelektrischen Kristalle magnetostriktive Kristalle zu verwenden. Anstelle von Glas können auch andere durchsichtige Elemente mit geeignetem Brechungsindex verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtablenker zur digitalen Ablenkung eines Lichtstrahls durch steuerbare Störung der Totalreflexion mit mindestens einem vom abzulenkenden Strahl durchsetzten, mindestens eine total reflektierende Fläche aufweisenden Körper und an der oder den total reflektierenden Flächefn) dieses Körpers angeordneten Elementen, die sich steuerbar wahl- ι ο weise an die vorhergehende total reflektierende Fläche anlegen oder von ihr abheben lassen und mit ihrer im Strahlengang dahinterliegenden Fläche ggf. Totalreflexion bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Elemente stapel- '^ä formig übereinander und einzeln oder in Kombination steuerbar angeordnet sind.

2. Lichtablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Elemente (52, 54) zur SlÄoing der Totalreflexion jeweils aus einem den gleichen oder annähernd gleichen Brechungsindex wie der sie tragende Körper (46) aufweisenden membranartigen, zur steuerbaren Störung der Totalreflexion relativ zur benachbarten totalreflektierenden Fläche bewegbaren Teil (32), einer M dahinterliegenden, mit einer den gleichen oder annähernd gleichen Brechungsindex aufweisenden Flüssigkeit gefüllten Kammer und einem die Kammer abschließenden, den gleichen oder annähernd gleichen Brechungsindex aufweisenden total- reflektierenden Teil (42) bestehen.

3. Lichtablenker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daL· der Abstand zwischen einer totalreflektierenden Fläche und der ihre Totalreflexion steuerbar störenden Fläche zwischen den Grenzen A/8 und 2Λ des abzulenkenden Strahls steuerbar veränderbar ist.

4. Lichtablenker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der die Totalreflexion steuerbar stören- ■»<> den Flächen durch an ihrer Peripherie angeordnete piezoelektrische oder magnetoelektrische Elemente erfolgt.

5. Lichtablenker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der die Totalreflexion steuerbar störenden Flächen durch Druckveränderung in einem oder beiden der benachbarten Räume erfolgt.

6. Lichtablenker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der m> aus den steuerbaren Elementen (10,27,28,29,30,52, 54) bestehende Stapel kegelförmig ist.

7. Lichtablenker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die tolalreflektierenden Flächen der Steuerelemente einen Randwulst aufweisen.