DE2115886B2

DE2115886B2 - Elektrooptische modulationsvorrichtung

Info

Publication number: DE2115886B2
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: 1977-11-10
Also published as: US3713722A; GB1350266A; AU2755171A; DE2115886A1; DE2115886C3; SE7104587L; IT986796B; CA973958A; NL7005295A; BE765694R; FR2089505A5; CH526790A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine derartige Anordnung ist u.a. aus Fig. 1 der r> deutschen OS P 18 11 732 bekannt. In der Vorrichtung nach dieser Patentanmeldung zum Detektieren der Lage der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahlungsbündels wird an einem elektrooptischen Kristall, der zwischen zwei λ/4-Platten in dem Lichtweg -to angeordnet ist, eine Modulationsspannung angelegt. Das aus dem elektrooptischen Modulator austretende Strahlungsbündel wird von einem Teilspeigel in zwei Teilbündel aufgespaltet. Jedes dieser Teilbündel durchläuft einen Polarisator und fällt auf einen strahlungs- π empfindlichen Detektor. An den Ausgängen der beiden strahlungsempfindlichen Detektoren treten elektrische Signale auf.

In der deutschen OS P 19 39 005 ist beschrieben worden, wie diese Vorrichtung zur Bestimmung einer >n relativen Verschiebung eines Gegenstandes verwendet werden kann.

In den beiden Vorrichtung wird an den elektrooptischen Kristall eine harmonische Spannung angelegt. Dadurch treten an den Ausgängen der strahlungsemp- >"> findlichen Detektoren Signale mit einem großen Frequenzspektrurn auf. Bevor sie weiter verarbeitet werden können, müssen diese Signale zunächst in einem schmalen um die Modulationsfrequenz herum liegenden Band gefildert werden. Durch das Filtern wird die m> 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.

Der Erfindung liegt die Aulgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Lage der Polarisationsebene eines Lichtbündels ohne Verlust an Information und Zeit auch im Falle von raschen" Änderungen dieser Lage mit der Zeit genau bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches angegebenen Maßnahmen trclöst.

Dadurch kann die in den elektrischen Signalen vorhandene Information aus diesen Signalen wiedergewonnen werden, ohne daß dabei in einem schmalen um die Modulationsfreqiienz herum liegenden Band gefiltert zu werden braucht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

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

F i g. 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 F i g. 1 erhaltenen Signale als Funktion der Zeit und

F i g. 4 den Verlauf einiger Komponenten der Signale nach F i g. 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 λ/4-Platte 4 einem KDP-Kristall 5 und einer λ/4-Platte 6. Die Hauptrichtungen 7 und 9 der 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 austretende Bündel werden von den Detektoren 33 bzw. 34 in elektrische Signale umgewandelt.

Nach der deutschen OS 18 11 732 wird an den Kristall 5 eine Wechselspannung V= V₀cosü)t angelegt. Die von den Detektoren gelieferten Signale haben dann die Form

5₁ = a + B sin (kz + b cos wt), (la)

5₂ = Λ + B cos (kz + b cos», t), (Ib)

wobei kz die Lage der Polarisationsebene der von der Quelle 1 emittierten Strahlung darstellt, b die Modulationstiefe der sinusförmigen Modulation ist und A und B eine Konstante darstellen. Die Funktionen, die die Signale Si und S2 darstellen, können in einer Reihe entwickelt werden:

S, = A + ß sin kz j J_a(b) + 2J₂(6)cos2rnf + 2J_A(b) cos 4nt + ...} + ß cos kz ! 2J,(b)cosr.r + 2 J₃(b) cos 3 n,t +...},

.<;., = A + B cos kz j J₀(Z)) H- 2 J₂(Z)) cos

·.ί ■+

- β sin fczi 2J₁(McOSc..' · 2J₃(Z))COs 3.·,( Z)) cos 4c.ι

j _sle||_t I₁Jb) die Besselsche Funkti· -n der Ordnung n

^dar. _den obenstehenden Reihen geht hervor, daß das c Pnuenzspektrum der beiden Signale sehr ausgedehnt Für die weitere Verarbeitung sind lediglich die Srme mit Ji(b) von Bedeutung. Aus Fi g 2, in der die ,

.en fünf Besselschen Funktionen als Funktion der Wlndulationstieie b dargestellt sind, ergibt sich, daß für ne eeringe Modulationstiefe J₀(b) größer als U(b) ist, Ehrend 2j₂(h) klein ist. Für J_ü(b) = O (das ist für TL 24) ist jedoch 2/i (Z)J etwa gleich 2J₂(b). Es kann kein Wert angegeben werden, für den h(b) derart groß ist, Haß die übrigen Besselschen Funktionen vernachlässigt «,erden können. Um den Einfluß der Besselschen Funktionen Jo(b), h(b) usw. zu beseitigen, müssen die ς enale S, und S₂ in einem Band mit einer mittleren Frequenz ω gefiltert werden.

Durch diese Filterung wird die Information aber _rrt Ferner tritt in der Information eine gewisse Zeitverzögerung auf. Außerdem wird durch die ^schränkte Bandbreite des Filters der Winkelgeschwindigkeit der Polarisationsebene, die noch genau detektiert werden kann, eine obere Grenze gesetzt. Die zeitliche Abtastung von kz muß jedenfalls kleiner als^w sein. Wenn eine große Genauigkeit verlangt wird, muß — (kz) weiter unterhalb der Grenze^o bleiben. Wie beschrieben in der DT-OS 18 11732 können zur weiteren Verarbeitung der Signale S, und S₂ diese Signale multipliziert werden mit einer Synchronisationsspannung, d. h. einer Spannung proportional zu der Modulationsspannung (V = V₀coscot). Be. Verwen-Hune einer harmonischen Modulationsspannung ergibt sich weiter als Nachteil, daß die Modulation der

5₁ = A H- BK₀(Z)) sin kz + Bcoskz] K₁(Z)):

5₂ = A + BK₀(M cos/<r-B sin J(ZlK₁(M s

wobei

Polarisationsebene und damit die Modulation der Signale S₄ und S₁₁ nicht völlig mit der Modulationsspannung in Phase ist und auch keine konstante Phasenverschiebung in bezug auf die Modulationsspannung aufweist, es sei denn, daß mit großen Leistungen moduliert wird.

Bei Modulation mit einer Rechteckspannung statt mit einer harmonischen Spannung und Wahl einer geeigneten Amplitude der Rechteckspannung treten die obenerwähnten Nachteile nicht auf.

Wenn eine Rechteckspannung nach F ι g. 3a an den Kristall 5 der F i g. 1 angelegt wird, erscheinen an den Ausgängen der Detektoren 33 und 34 die Signale:

S₁ = A f ßsin ,'Ar + h JUY, , .S\ = A Ί- B cos \k: + ')/(')! wobei

r. /(r) = +1 für tiT <(<(»+ y)^T-

f(t) = -1 für hi

wobei η = 0,1,2 ... ist.

Die Wiederholungsfrequenz der Rechteckspannung

kann gleich 2:t c, = _T

gesetzt werden.

Die Funktionen, die die Signale Si und Si darstellen, können wieder in einer Reihe entwickelt werden:

ι cii + K₃(O) sin 3(Ni + K₅(Ii) sin 5of 4 . . .', . fit + K₃(Z)) sin 3ci/ η- K₅(Z)) sin 5cii H- . ..', .

K₁(M

In den Signalen Si und S₂ treten nun keine Terme mit cos na>t auf, während Terme mit sin ηωΐ nur für ungerade η auftreten. Außerdem gibt es für jeden Wert von b ein konstantes Verhältnis zwischen den Tennen

mit sin ncot.
In F i g. 4 sind Ko, Ki und Ki über b aufgetragen. Dabei

K₀(M = cosb

und

sin Für b = "V ist

und

Für einen Wert von b kleiner als ^" ist der Faktor K\(b) mindestens 10% größer als der Faktor 2J\(b) aus der Fig. 2.

K₀ = O

K ι —

Für diesen Wert der Modulationsstufe braucht nicht in einem schmalen Band gefiltert werden. Dies hat den großen Vorteil, daß der Größe von -₍j-_f (kz) keine

Grenze gesetzt wird.

In F i g. 3 sind sin kz, f(t) und die Signale S\ und S: als Funktion der £eit dargestellt Die Umhüllende von -S> 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 werden, 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 Teilkristallen herabgesetzt werden.

Die Verbesserung einer elektrooptischen Modulationsvorrichtung ist hier an Hand einer Vorrichtung zur Bestimmung der Lage einer Polarisationsebene beschrieben worden. Naturgemäß kann diese Verbesse-3 rung auch bei anderen Vorrichtungen verwendet werden, die einen elektrooptischen Modulator enthalten und in denen Signale der Form (la) und (Ib) auftreten. Dabei kann z. B. an eine Vorrichtung zur Bestimmung einer gegenseitigen Verschiebung zweier Gegenstände ίο gedacht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: der

1. Anordnung zur Modulation der I
Polarisationsebene eines als Informations! ^r in "> einem optischen Meßsystem dienenden linear polarisierten Lichtbündels, mit drei hintereinander im Strahlengang angeordneten, wenigstens einem elektrooptischen Kristall umfassenden doppelbrechenden Elementen, und mit einer Einrichtung 2ur in Beaufschlagung des elektrooptischen Kristalls mit einer Modulationsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsspannung eine Rechteckwelle ist, deren Amplitude derart gewählt ist, daß die Polarisationsebene des Lichttündels r> durch die eine Halbwelle um 90° in die eine Richtung und durch die andere Halbwelle um 90° in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage der Polarisationsebene eines linear polarisierten Strah- :< > lungsbündels, die mit einer elektrooptischen Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1 versehen ist.

3. Vorrichtung zur Bestimmung einer gegenseitigen Verschiebung eines Gegenstandes und eines zweiten Gegenstandes, die mit einer elektroopti- >ϊ sehen Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1 versehen ist.