DE2129075A1 - Vorrichtung zur optischen Datenver arbeitung - Google Patents

Description

F.PHF. 4989.

Dr. Herbert Scholl Va/RV. Patentanwalt Anmelder: N. Y. Philips' Gloeilampenfabrfekeo 9 1

Akt.No.; PHN- 4989 ^Δ '

Anmeldung vom« 10. Juni 1971

Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur

optischen Datenverarbeitung mit einer Quelle kohärenten Lichtes, einem die kohärente Lichtstrahlung modulierenden elektrooptischen Kristall, einer dessen Flächen Daten in Form elektrischer Ladungen zugeführt werden können, einem in·dem Strahlengang hinter dem elektrooptischen Kristall angebrachten Analysator und einem optischen System zum Konzentrieren der modulierten Strahlung auf einem Aufzeichnungsmedium. Eine derartige Vorrichtung ist u.a. aus dem Artikel: "Elektron Beam Writing of Spatial Filter" von Wieder, Pole und Heidrich in "Ι.Β,Μ, Journal of Research", März 1969, S. 169 - 171 bekannt.

Bei der Bildung der Fourier-Transformierten eines Gegenstandes in der hinteren Brennebene einer Abbildungslinse interferieren die unterschiedlichen Komponenten der durchgelassenen Strahlung mitein-

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ander und werden verschiedene BeugungsOrdnungen erhalten:

- Die Beugungskomponente der nullten Ordnung liegt auf der Achse des Abbildungsbündels und weist eine Amplitude auf, die der mittleren Uebertragung Tm des ganzen Bildes proportional ist;

- die Beugungskomponente der ersten Ordnung enthält die nützlichen Daten;

- die Beugungskomponenten hb'herer Ordnungen werden infolge der Nichtlinearität der Uebertragungskennlinie erhalten.

Das Vorhandensein der Beugungskomponente der nullten Ordnung beeinträchtigt die praktische Brauchbarkeit der bekannten Vorrichtung. Die Beugungslcomponenten der nullten Ordnung sämtlicher Teile des Bildes sind nämlich in einem Punkt auf der Achse des Abbildungsbündels konzentriert und enthalten den grössten Teil der Gesamtlichtensrgie, weil die Modulationstiefen nie besonders gross sind.

Die Komponenten erster Ordnung der unterschiedlichen Teile des Bildes sind gewöhnlich verschieden und sind über die Ebene der Fourier-Transformation verteilt. Der Schnittpunkt dieser Ebene mit der Achse des Abbildungsbündels, oder, besser gesagt, die annähernd punktförmige Oberfläche rund diesen Schnittpunkt, deren Grb'sse zu der Oberfläche des Bildes umgekehrt proportional ist, weist eine viel grössere Helligkeit als die anderen Punkte in der Ebene der Fourier-Transformation auf. Im erwähnten Punkt tritt gewöhnlich eine Sättigung des in der Ebene der Fourier-Transformation angeordneten Empfängers, wie eines photoempfindlichen Filmes oder einer Aufnahmeröhre, auf. Dadurch wird ein Lichthofeffekt erhalten, und in dem Bild trifft infolge der unvermeidlichen Streuung in der Ebene, in der der Empfänger angeordnet ist, GeräuBCh auf. Diese Streuung kann an einem Korn im Film oder in der photo-

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empfindlichen Schicht einer Aufnahmeröhre oder an dem verbleibenden Korn einer Linse auftreten. Die Intensität dieses Geräusches nimmt ab, je nachdem der Abstand von der Achse grb'sser wird.

Gewöhnlich versucht man diesen Nachteil dadurch zu vermeiden, dass im Strahlengang ein Filter angeordnet wird, das in der Mitte undurchsichtig ist, damit die Komponente der nullten Ordnung unterdrückt wird. Durch optische Filterung kann nicht nur die Komponente der nullten Ordnung, sondern auch ein erheblicher Teil des Geräusches unterdrückt werden. Zu diesem Zweck kann die Mitte der Fourier-Transformierten abgeschirmt werden. Dabei wird aber ausserdem ein erheblicher Teil der niedrigen räumlichen Frequenzen unterdrückt, was zum Erreichen des beabsichtigten Zieles unerwünscht ist.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, in der die Komponente der nullten Ordnung unterdrückt werden kann, ohne dass dabei die obenerwähnten Nachteile auftreten. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Analysator ein Phasenverschiebungsglied angeordnet ist, das eine konstante Phasenverschiebung erzeugt, deren Vorzeichen dem der von dem elektrooptischen Kristall eingeführten Phasenverschiebung entgegengesetzt ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figuren 1 und 2 die Durchsichtigkeit der Kombination eines Kristalls und eines Analysators als Funktion der an den Kristall angelegten elektrischen Ladungen in einer bekannten Vorrichtung bzw, in einer Vorrichtung nach der Erfindung, und

Figuren 3 und 4 zwei Ausführungsformen einer Vorrichtung nach

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der Erfindung.

In diesen Figuren sind entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern beseichnet.

Ein den Pockels-Effekt aufweisender elektrooptischer Kristall besteht meistens aus Kaliumdihydrophosphat (KHpPO.) oder einer verwandten Verbindung. Ein z_fflB_e von einem Laser herrührendes Bündel kohärenten Lichtes wird auf diesen Kristall gerichtet» Die Polarisationsrichtung des Bündels schliesst mit den beim Anlegen elektrischer Ladungen an den Kristall eingeführten neutralen Linien einen Winkel von 45° ein. Für einen elektrooptischen Kristall, der aus einem Material der Gruppe KHpPO. besteht und an den sin elektrisches Feld in der z-Richtung angelegt wird, ist die Polarisationsriohtung zn einer der kristallographischen Achsen χ und y des Kristalls parallel« Beim Durchlaufen eines Kristalls wird das. Licht der Bündelteile₉ die von dem Feld der elektrischen Ladungen beeinflusst werden, elliptisch polarisiert«

Hinter dem elektrooptischen Kristall ist ein Analysator angeordnet, dessen Polarisationsrichtung die des einfallenden Bündels kreuzt. Die Amplitudenübertragung des Ganzen ist gleich sin ^ y, wobei ψ der Phasenunterschied ist, der von dem Kristall zwischen den parallel zu den neutralen Linien polarisierten Komponenten erzeugt wird. Dieser Phasenunterschied ist der an den Kristall angelegten elektrischen Ladung q. proportional. Die liebertragungsfunktion T kann also durch T - sin kq dargestellt werden, wobei k eine Konstante ist, die von der Dicke und der Art des Kristalls abhängig ist. In den bekannten Vorrichtungen kann die Modulation in der Uebertragung nur durch das Anlegen einer mehr oder weniger grossen Anzahl negativer elektrischer Ladungen herbeigeführt werden. In Fig. 1 ist die übertragungsfunktion T als Funktion der Menge

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Ladung q in bekannten Vorrichtungen dargestellt. T kann sich nur über den·mit einer vollen Linie angedeuteten vierten Teil der dargestellten sinusförmigen Kurve ändern.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung wird an Hand der Fig. 2 erläutert. Durch Zusatz einer konstanten Phasenverschiebung ¥ , der gleichen Grössenordnung wie die vom Kristall eingeführte Phasenverschiebung, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen, wird die Uebertragungsfunktion»

T - sin(kq+£'/>_o).

Im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen wird der Wirkungsbereich des optischen Relais verschoben, derart, dass die mittlere Bildübertragung Tm gering ist und sogar gleich null sein kann, was eine erhebliche Herabsetzung der BeugungsOrdnung 0 mit sich bringt.

Da die TJebertragungskennlinie T(^) in diesem Falle in einem viel grösseren Bereich als zuvor praktisch linear ist, sind die Amplituden der Interferenzordnungen, die höher als 1 Bind, (die auf die Nichtlinearität der Vorrichtung zurückzuführen sind) dann wesentlich geringer geworden.

Da die Modulations- oder Uebertragungskennlinie eine ungerade Funktion rund den Punkt ist, der T « 0 entspricht, verschwinden ausserdem alle geraden Ordnungen, wenn die Modulationsfunktion rund den erwähnten Punkt symmetrisch ist. Wenn die Modulationsfunktion des elektrooptischen Kristalls z.B. sinusförmig ist und alsi

geschrieben werden kann, wobei«K die räumliche Frequenz in der x-Richtung darstellt, werden alle Koeffizienten der geraden Ordnungen dee Fourier-Spektrume gleich null und werden die Koeffizienten der ungeraden Ordnungen gleich»

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sein. Dabei ist J die η Besselfunktion erster Art, wobei η die Beugungsordnung darstellt.

Da sich die Koeffizienten etwa nach der η ^en Potenz von A ändern und da für einen Wert von A = -g- #*(wobei sich T also zwischen -1 und +1 ändern kann) die Lichtstärke dritter Ordnung nur gleich 1,6 fo der Lichtstärke erster Ordnung ist, sind die von 1 verschiedenen ungeraden Ordnungen in bezug auf die Ordnung 1 vernachlässigbar. Bei einer asymmetrischen Modulationsfunktion sind die geraden Ordnungen gewöhnlich ebenfalls vernachlassigbar, wenn die Ordnung O gemäss der Erfindung unterdrückt wird.

Figuren 3 und 4 zeigen awei verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung nach der Erfindung. In den beiden Vorrichtungen beleuchtet ein Bündel polarisierten kohärenten Lichtes den den Pockels-Effekt aufweisenden Kristall 2. In der Vorrichtung nach Fig. 3 pflanzt sich das Bündel 1 polarisierten kohärenten Lichtes durch den Kristall fort. Dieser Kristall befindet sich in einem Rohr 3» das weiter mit Mitteln zum Aufzeichnen und Löschen von Daten in Form elektrischer Ladungen an dem Kristall versehen ist. Ein Phasenverschiebungsglied 4 liegt vor oder hinter diesem Kristall. Nachdem das Lichtbündel den Kristall 2 und das Phasenverschiebungsglied 4 durchlaufen hat, passiert es zunächst den Analysator 5 und dann eine Linse 6, die das Bündel in ihrer Brennebene 7 konzentriert in der ein Empfänger, z.B. ein photοgraphischer Film oder die Auftreffplatte einer Aufnahmeröhre, angeordnet ist.

In der Vorrichtung nach Fig. 4 wird das Bündel nach Durchgang durch den Kristall reflektiert und durchläuft dann zum zweiten Mal den Kristall. Das Phasenverschiebungsglied 4 kann an drei verschiedenen

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Stellen angebracht werden, wie dargestellt ist. Die einfallenden und reflektierten Bündel werden durch das Trennelement 8 voneinander getrennt. Auf der von der Brennebene 7 abgekehrten Seite ist der Kristall 2 mit einer dielektrischen reflektierenden Schicht 9 tiberzogen. Wenn das Phasenverschiebungsglied 4 aber zwischen dem Trennelement und dem Kristall angeordnet ist, muss die bei einem einzigen Durchgang durch das Phasenverschiebungsglied eingeführte Phasenverschiebung gleich %*f sein. Das Bündel passiert dann ja zweimal das Phasenverschiebungsglied, wobei es von der dielektrischen reflektierenden Schicht 9 reflektiert wird. Die letztere Lage des Phasenverschiebungsgliedes 4 ist die einzige mögliche Lage, wenn als Trennelement ein polarisierendes Trennelement verwendet wird. Ein derartiges Trennelement bietet den Vorteil, dass ein höherer Wirkungsgrad der Vorrichtung erhalten werden kann. Als Phasenverschiebungsglied sind verschiedene Elemente anwendbar»

- ein regelbarer Kompensator, z.B, der Bravais-Kompensator, Dieser Kompensator enthält zwei Phasenverschiebungsplatten mit parallelen Flächen, die Phasenunterschiede entgegengesetzter Vorzeichen einführen, wobei die zweite Platte durch zwei keilförmige Platten gebildet wird, deren gegenseitige Verschiebung einer Dickenänderung entspricht. Da die Phasenverschiebung hier stets in gleichem Sinne erfolgt, kann die erste Platte weggelassen werden.

- Eine elektrooptische Eockels-Zelle, die durch eine kristalline Platte gebildet wird, die mit zwei durchsichtigen elektrisch leitenden Schichten überzogen ist, zwischen denen eine regelbare Spannung angelegt wird. Die Orientation muss derartig sein, dass die neutralen Linien des erzeugten Feldes zu den im optischen Relais erzeugten neutralen Linien parallel sind.

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- Eine elektrooptisch^ Kerr-Zelle, die eine Flüssigkeit oder einen Kristall enthält, an die (an den) ein regelbares elektrisches Feld senkrecht zu der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes und parallel zu einer der im optischen Relais induzierten neutralen Linien angelegt wird.

Das Rohr 3 kann ein optisches Relais sein, wie es z.B. in den französischen Patentschriften Nr. 1.473.212 und 1.479.284 der Anmelderin beschrieben worden ist.

Es ist bekannt, dass zur VergrSsserung der Dielektrizitätskonstante des Kristalls und somit der von diesem Kristall eingeführten Phasenverschiebung die Betriebstemperatur in der Nähe des Curiepunktes gewählt werden kann. In der Vorrichtung nach der Erfindung kann aber der Kristall selber als Phasenverschiebungsglied angewandt werden, indem an den Kristall eine Polarisationsspannung angelegt wird, derart, dass der Arbeitspunkt dem Arbeitspunkt entspricht, der mit Hilfe eines Phasenverschiebungsgliedes 4 erhalten werden würde. Wie in den erwähnten Patentschriften beschrieben wurde, wird der Elektronenstrahl nicht moduliert und wirkt er praktisch wie ein sich bewegender Kurzschluss, der das Potential des den Pockels-Effekt aufweisenden Kristalls bis auf einige Volts dem eines in der Nähe dieses Kristalls angeordneten Gitters gleich macht. Die Modulationsspannung wird zwischen diesem Gitter und einer durchsichtigen leitenden Schicht angelegt, welche Schicht auf einer zweiten Fläche des den Pockels-Effekt aufweisenden Kristalls angebracht ist.

Die Wirkung gründet sich darauf, dass an jedem Punkt der " vom Elektronenstrahl abgetasteten Oberfläche Elektronen zugeführt oder entfernt werden kb'nnen. Das Entfernen negativer Ladungen ist als das Zuführen positiver Ladungen zu betrachten. Der Mittelwert des zugeführten Modulationssignals kann also derart gewählt werden, dass die mittlere

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Datenübertragung gleich null ist. Dies lässt sich auf besonders einfache Weise dadurch erzielen, dass die Gleichstromkomponente des Signals über ein Potentiometer zugeführt wird. Da die Vorrichtung meistens innerhalb des praktisch linearen Teiles der Uebertragungskennlinie wirkt, bedeutet eine mittlere 0 der Datenübertragung meistens eine mittlere 0 der angelegten elektrischen Ladung, d.h. eine Gleichspannungskomponente des angelegten Signals, die, bis auf einige Volts, gleich null ist. Der Unterschied von einigen Volts ist dem Unterschied zwischen dem Gitterpotential und dem Gleichgewichtspotential eines Punktes der abgetasteten Oberfläche zuzuschreiben.

Die Vorrichtung nach der Erfindung lässt sich bei räumlicher Fourier-Transformation, Holographie, akustischer Holographie, Zeichenidentifikation, optischer Filterung usw. anwenden. Dabei können ein oder mehrere optische Relais nach der Erfindung in Verbindung mit einzelnen Filtern verwendet werden. Auch können die Relais selber als Filter verwendet werden.

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Claims (6)

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   PATENTANSPRÜCHE :

   ( 1·) Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung mit einer Quelle kohärenten Lichtes, einem die kohärente Lichtstrahlung modulierenden elektrooptischen Kristall, einer dessen Flächen Baten in Form elektrischer Ladungen zugeführt werden können, einem im Strahlengang hinter dem elektrooptischen Kristall angebrachten Analysator und einem optischen System zum Konzentrieren der modulierten Strahlung auf einem Aufzeichnungsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Analysator ein Phasenverschiebungsglied angeordnet ist, das eine konstante Phasenverschiebung erzeugt, deren Vorzeichen dem der vom dem elektrooptischen Kristall eingeführten Phasenverschiebung entgegengesetzt ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungsglied eine Platte aus einem doppelbrechenden Material ist, deren optische Achse zu einer der im elektrooptischen Kristall induzierten neutralen Linien parallel ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungsglied ein durch mindestens zwei keilförmige Platter gebildeter Kompensator ist, wobei die neutralen Linien des Kompensators zu den im elektrooptischen Kristall induzierten neutralen Linien parallel sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverschiebungsglied eine Kerr-Zelle ist, von der zwei auf einander gegenüber liegenden Flächen angebrachte Elektroden zu der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes und zu einer der im elektrooptischen Kristall induzierten neutralen Linien parallel sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

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   das Phasenverschiebungsglied eine den Pockels-Effekt aufweisende Zelle ist, deren induzierte neutrale Linien zu den im elektrooptischen Kristall induzierten neutralen Linien parallel sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, dass

   das Phasenverschiebungsglied mit dem elektrooptischen Kristall ein Ganzes bildet.

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