DE2115886A1

DE2115886A1 - Elektrooptische Modulations vorrichtung

Info

Publication number: DE2115886A1
Application number: DE19712115886
Authority: DE
Inventors: Johannes Antonius Maria Eindhoven Mes (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-04-13
Filing date: 1971-04-01
Publication date: 1971-10-28
Also published as: FR2089505A5; GB1350266A; CH526790A; US3713722A; CA973958A; DE2115886C3; DE2115886B2; NL7005295A; IT986796B; BE765694R; SE7104587L; AU2755171A

Description

Patentanwalt

N.V. Philips' Gloellampenfabneken
Akte No.. PHN- 4789

Anmeldung vom» 24. März 1971

N.V. Philips¹ Gloeilampenfabrieken, Eindhoven / Holland

Elektrooptische Modulationsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung einer elektrooptischen Modulationsvorrichtung zum Modulieren der Lage der Polarisationsebene eines als Informationsträger in einem optischen Messystem dienenden Lichtbündels, wobei die Modulationsvorrichtung eine Reihenschaltung mindestens dreier doppelbrechender Elemente mit einer geeigneten gegenseitigen Orientierung enthält, von denen mindestens eines ein elektrooptischer Kristall ist, an den eine elektrische Modulationsspannung angelegt werden kann.

Eine derartige elektrooptische Modulationsvorrichtung ist u.a. aus Fig. 1 der deutschen OS P 18 11 732.3 bekannt. In der Vorrichtung nach dieser Patentanmeldung zum Detektieren der Lage der Polarisationsebene eines linear

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-/Hs

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polarisierten Strahlungsbündels wird an einen elektrooptischen Kristall, der zwischen*zwei ^/A-Vlatten in dem Idchtweg angeordnet ist, eine Modulationsspannung angelegt. Das aus dem elektrooptischen Modulator austretende Strahlungsbündel wird von einem Teilspiegel in zwei Teilbündel aufgespaltet. Jedes dieser Teilbündel durchläuft einen Polarisator und fällt auf einen strahlungsempfindlichen Detektor. An den Ausgängen der beiden strahlungsempfindlichen Detektoren treten elektrische Signale auf.

In der deutschen OS P 19 39 005.7 ist beschrieben worden, wie diese Vorrichtung zur Bestimmung einer relativen Verschiebung eines Gegenstandes verwendet werden kann.

In den beiden Vorrichtungen wird an den elektrooptischen Kristall eine harmonische Spannung angelegt. Dadurch treten an den Ausgängen der strahlungsempfindlichen Detektoren Signale mit einem großen Frequenzspektrum auf. Bevor sie weiter verarbeitet werden können, müssen diese Signale zunächst in einem schmalen um die Modulationsfrequenz herum F liegenden Band gefiltert werden. Durch das Filtern wird die Information nicht nur einer gewissen Zeitverzögerung, sondern auch einer gewissen Verzerrung unterworfen. Außerdem wird durch die beschränkte Bandbreite des Filters der Winkelgeschwindigkeit der Polarisationsebene, die noch genau detektiert werden kann, eine obere Grenze gesetzt.

Die Erfindung bezweckt, eine verbesserte elektrooptisch« Modulationsvorrichtung zu schaffen, bei der die obenerwähnten lachteile nicht auftreten. Die Verbesserung besteht

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darin, dass die an den Kristall anzulegende Spannung eine Rechteckspannung ist, die eine derartige Amplitude aufweist, dass die Polarisationsebene eines durch die Modulationsvorrichtung laufenden Lichtbündels über 90° je nach dem Vorzeichen der Rechteckspannung nach links oder nach rechts gedreht wird. Dadurch kann die in den elektrischen Signalen vorhandene Information aus diesen Signalen wiedergewonnen werden, ohne dass dabei in einem schmalen um die Modulationsfrequenz herum liegenden Band gefiltert zu werden braucht.

Die Erfindung wird nachstehend in Hand der beiliegenden Zeichnung näher erlXutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mit einem elektrooptischen Modulator versehene Torrichtung zur Bestimmung der.Lage der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahlungsbündels;

Fig. 2 den Verlauf einiger Komponenten der aus der Vorrichtung nach Fig. 1 bei Verwendung einer harmonischen Modulationsspannung erhaltenen Signale als Funktion der Modulationstiefe;

Fig. 3 eine Rechteckspannung und die mit Hilfe dieser Rechteckspannung in der Vorrichtung nach Fig. 1 erhaltenen Signale als Funktion der Zeit; und

Fig. 4 den Verlauf einiger Komponenten der Signale nach Fig. 3 ^als Funktion der Modulationstiefe.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 durchläuft die von

einer Quelle 1 herrührende und von einer Linse 2 in ein paralleles Bündel umgewandelte linear polarisierte Strahlung die Reihenschaltung von nacheinander einer ^/4-Platte4 einem KDP_Kristall und einer λ/4-Platte 6. Die Hauptrichtungen 7 ^UI>d 9 der

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λ/4-Platten 4 bzw. 6 sind zueinander parallel; die Hauptrichtung 8 des Kristalls 5 schließt mit der der Platten 4 und 6 einen Winkel von 45° ein. Das Strahlungsbündel wird dann vom Teilspiegel 20 in zwei Teilbündel aufgespaltet. Diese Teilbündel fallen auf die Polarisatoren 21 bzw. 22, deren Polarisationsrichtungen 23 bzw. 24 miteinander einen Winkel von 45° einschließen. Die aus den Polarisatoren 22 und 21 austretenden Bündel werden von den Detektoren 33 bzw. 34 in elektrische Signale umgewandelt.

Nach der deutschen OS P 18 11 732.3 wird an den Kristall 5 eine Wechselspannung Ύ = V coswt angelegt. Die von den Detektoren gelieferten Signale haben dann die Form:

5₁ = A + B sin (kz+bcostwt) (1a)

5₂ = A + B cos (kz+bcosu)t) (1b),

wobei kz die Lage der Polarisationsebene der von der Quelle emittierten Strahlung darstellt, b die Modulationstiefe der sinusförmigen Modulation ist, und A und B eine Konstante darstellen. Die Punktionen, die die Signale S₁ und S₂ darstellen, können in einer Reihe entwickelt werden:

5₁ = A + B sin kz fj_o(b) + 2J₂(b) cos 2uat + 2J^(b) cos W +

+ B cos kz ^2J₁ (b) cosuüt + 2J_(b) cos 3«»t+...|

5₂ = A-+ B cos kz fj_Q(b) + 2J₂(b) cos 2u»t + 2J.(b) cos 4<»t + ...?

- B sin kz (2J^b) cos«*>t + 2J_?(b) cos

dabei stellt J_n(b) die Besselsche Punktion der Ordnung η dar.

Aus den obenstehenden Reihen geht hervor, daß das Frequenzspektrum der beiden Signale sehr ausgedehnt ist. Für die weitere Verarbeitung sind lediglich die Terme mit J₁(b) von Bedeutung. Aus Fig. 2, in der die ersten fünf Besselschen Punktionen. 10-9 8 44/1578

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"als Punktion der Modulationstiefe b dargestellt sind, ergibt sich, dass für eine geringe Modulationstiefe J (b) grosser als 2J₁Cb) ist, während 2J₂(Ta) klein ist. Für J_Q(b) - 0 (das ist für b = 2,4) ist jedoch 2J₁(Ia) etwa gleich 2J_(b). Es kann kein ¥ert angegeben werden, fUr den J₁ (b) derart gross ist, dass die übrigen Besselschen Funktionen vernachlässigt werden können. Um den Einfluss der Besselschen Funktionen J (b), Jp(^) usw. zu beseitigen, müssen die Signale S₁ und S_? in einem Band mit einer mittleren FrequenzWgefiltert werden.

Durch diese Filterung wird die Information aber gewissermassen verzerrt. Ferner tritt in der Information eine gewisse Zeitverzögerung auf. Ausserdem wird durch die beschränkte Bandbreite des Filters der Winkelgeschwindigkeit der Polarisationsebene, die noch genau detektiert werden kann, eine obere Grenze gesetzt. Die zeitliche Ableitung von kz muss jedenfalls kleiner als ^ω sein. Wenn eine grosse Genauigkeit verlangt wird, muss —Tr (kz) weiter unterhalb der Grenze %<*> bleiben. Bei Verwendung einer harmonischen Modulationsspannung ergibt sich weiter der Nachteil, dass die Modulation nicht völlig mit einer Synchronisationsspannung in Phase ist und auoh keine konstante Phasenverschiebung in bezug auf diese Synchronisationsspannung aufweist, es sei denn, dass mit grossen Leistungen moduliert wird.

Nach der Erfindung wird mit einer Rechteckspannung statt mit einer harmonischen Spannung moduliert. Bei einer geeigneten Amplitude der Rechteckspannung treten die obenerwähnten Nachteile nicht auf.

Wenn eine Rechteckspannung nach Fig. Ja an den Kristall 5 der Fig. 1 angelegt wird, erscheinen an den Ausgängen

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der Detektoren 33 und 34 die Signales

5₁ m A + B sin jkz + b f(t)}

5₂ = A + B coa £kz + b f(t)} wobei

f(t) = +1 für nT<t<(n + t)T

f(t) = -1 für (n + i)T<t<(n + 1}T wobei η = 0, 1, 2, .... ist.

Die Wiederholungsfiequenz dar Reohteckspannung kann gleichs co = —jo— gesetzt weiden.

Die Funktionen, die die Signale S₁ und S_ darstallan, können wieder in einer Reihe entwickelt werden:

5₁ = A + BK (b) ain kz + B cos kz-[K..(b) sineat + K,(b) sin

+ K₅(b) ain 5^t + ... }

5₂ = A + BK_Q(b) cos kz -= B sin kz (K₁ (b) sinc^t + K,(b) sin

+ Kc(b) sin 5tot + ... I

.K₁(Tr) wobei K_n(b) = ' " ist.

In den Signalen S₁ und S„ treten nun keine Terme mit cos nut auf, während Terme mit sin η tot nur für ungerade η auftreten. Ausaerdein gibt es für jeden Wert von b ein konstantes Verhältnis zwischen den Tarmen mit sin nut.

In Fig. 4 sind E , K₁ und K, über b aufgetragen. Dab6i ists

K (b) = cos b und K₁Cb) = ⁴^- sin 1».

Für einen Wert von b kleines als — ist der Faktor K₁Cb) mindestens 10$ grosser als der Faktor 2J₁(Ij) aus der Fig. 2 For b -■ -y- ist:

K₀ » O und

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Für diesen Wert der Modulationstiefe braucht nicht in einem schmalen Band gefiltert zu werden. Dies hat den grossen Vorteil, dass der Grosse von —rr (kz) keine Grenze gesetzt wird.

In Fig. 3 sind sin kz, f(t) und die Signale S₁ und S_ als Funktion der Zeit dargestellt. Die Umhüllende von S₁ und S_? stellt die Information dar und kann mit Hilfe eines einfachen Synchrondetektors genau wiedergewonnen werden, ohne dass dabei eine Zeitverzögerung auftritt.

Die Phase der rechteckförmigen Modulationsspannung kann mit einfachen Mitteln mit einer Synchronisationsspannung in Phase gehalten weiden, wobei mit geringeren Leistungen als im Falle einer harmonischen Modulationsspannung gearbeitet werden kann.

Statt eines einzigen elektrooptischen Kristalls können in der beschriebenen Vorrichtung auch mehrere Teilkristalle hintereinander angeordnet werden. Dadurch kann die Spannung an jedem Teilkristall um einen Faktor gleich der Anzahl von Teilkriatallen herabgesetzt werden.

Die Verbesserung einer elektrooptischen Modulationsvorrichtung ist hier an Hand einer Vorrichtung zur Bestimmung der Lage einer Polarisationsebene beschrieben worden. Naturgeäiiäss kann diese Verbesserung auch bei anderen Vorrichtungen verwendet werden, die einen elektrooptischen Modulator enthalten und in denen Signale der Form (1a) und (1b) auftreten. Dabei kann z.B. an eine Vorrichtung zur Bestimmung einer gegenseitigen Verschiebung zweier Gegenstände gedacht werden, wie sie z.B. aus der Patentanmeldung PHN.3360 bekannt ist.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE;

Verbesserung einer elektrooptischen Modulationsvorrichtung zum Modulieren der Lage der Polarisationsebene eines als Informationsträger in einem optischen Mesaystem dienenden Liehtbündels, wobai die Modulationsvorrichtung eine Reihenschaltung mindestens dreier doppelbrechender Elemente mit einer geeigneten gegenseitigen Orientierung enthält, von denen mindestens eines ein elektrooptischer Kristall ist, an den eine elektrische Modulationsspannung angelegt werden kann, welche Verbesserung

™ darin besteht, dass die an den Kristall anzulegende Spannung eine Rechteckspannung ist die eine derartige Amplitude aufweist, dass die Polarisationsebene des durch die Modulationsvorrichtung laufenden Lichtbündels über 90° je nach dem Vorzeichen der Rechteckspannung nach links oder nach rechts gedreht wird.
2. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahlungsbündels, die mit einer elektrooptischen Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1 versehen ist.

fc 5. Vorrichtung zur Bestimmung einer gegenseitigen Verschiebung eines Gegenstandes und eines zweiten Gegenstandes, die mit einer elektrooptischen Modulationsvorriohtung nach Anspruch 1 versehen ist.

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