DE2129075C3 - Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung - Google Patents

Description

50

Di« 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 Fort.i 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 unter anderem aus dem Artikel: »Elektron Beam Writing of Spatial Filter« von Wieder, Pole und He id rich in »I.B.M. Journal of Research«, März 1969, S. 169 bis 171, bekannt.

Bei der Bildung der Fourier-Transformierten eines Gegenstandes in der hinteren Brennebene einer Abbildungslinse interferieren die unterschiedlichen KomDonenten der durchgelassenen Strahlung miteinander und werden verschiedene Beugungsordnungen erhalten:

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

die Beugungskomponente der ersten Ordnung enthält die nützlichen Daten;
die Beugungskomponenten höherer Ordnungen werden infolge der Nichtlinearität der Übertragungskennlinie erhalten.

Das Vorhandensein der Beugungskomponente der nullten Ordnung beeinträchtigt die praktische Brauchbarkeit der bekannten Vorrichtung. Die Beugungskomponenten der nullten Ordnung sämtlicher Teile des Bildes sind nämlich in einem Punkt auf der Achse des Abbiidungsbündels konzentriert und enthalten den größten Teil der Gesamtlichtenergie, 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 Abbiidungsbündels oder, besser gesagt die annähernd punktförmige Oberfläche rund um diesen Sclinittpunkt deren Größe 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 Rauschen auf. Diese Streuung kann an einem Korn im Film oder in der photoempfindlichen Schicht einer Aufnahmeröhre oder an dem verbleibenden Korn einer Linse auftreten. Die Intensität dieses Rauschens nimmt ab, je nachdem der Abstand von der Achse größer 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 Rauschens 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 Phasen-Verschiebungsglied 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

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

F i g. 3 und 4 zwei Ausführungsformen einer Vorrichtung nach der Erfindung.

In diesen Figuren sind entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet

Ein den Pockels-Effekt aufweisender elektrooptischer Kristall besteht meistens aus Kaliumdihydrophosphat (KK2PQ4) oder einer verwandten Verbindung. Ein z. B. 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 KH2PO4 besteht und an den *nn elektrisches Feld in der z- Richtung angelegt wird, ist die Polarisationsrichtung zu einer der kristallographischen Achsen χ und y des Kristalis parallel. Beim Durchlaufen eines Kristalls wird das Licht der Bündelteile, 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 '/2 φ, f, wobei φ der Phasenunterschied ist, der von dem Kristall zv/ischen den parallel zu den neutralen Linien polarisierten Komponenten erzeugt wird. Dieser Phasenunterschied ist der an den Kristall angelegten elektrischen Ladung q proportional. Die Übertragungsfunktion T kann also durch 7" = sin kq dargestellt werden, wobei it eine Konstante ist, die von der Dicke und der Art des Kristalls abhängig ist In den bekannten Vorrichtungen kann die Modulation in der Übertragung nur durch das Anlegen einer mehr oder weniger großen Anzahl negativer elektrischer Ladungen herbeigeführt werden. In F i g. 1 ist die Übertragungsfunktion T als Funktion der Menge Ladung q in bekannten Vorrichtungen dargestellt Γ 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 φο, der gleichen Größenordnung wie die vom Kristall eingeführte Phasenverschiebung, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen, wird die Übertragungsfunktion:

T= sin (kq + '/₂φο).

55

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 Übertragungskennlinie Τ(φ) in diesem Falle in einem viel größeren Bereich als zuvor praktisch linear ist, sind die Amplituden der Interferenzordnungen, die höher als 1 sind (die auf die Nichtlinearität der Vorrichtung zurückzuführen sind), dann wesentlich geringer geworden.

Da die Modulations- oder Übertragungskennlinie pinp ungerade Funktion rund um den Punkt ist, der T=O entspricht, verschwinden außerdem alle geraden Ordnungen, wenn die Modulaüonsfunktion rund um den erwähnten Punkt symmetrisch ist Wenn die Modulationsfunktion des elektrooptischen Kristalls z. B. sinusförmig ist und als:

kq + 1/2 φο = A sin (2πιχχ)

geschrieben werden kann, wobei λ die räumliche Frequenz in der x-Richtung darstellt, werden alle Koeffizienten der geraden Ordnungen des Fourier-Spektrums gleich Null und werden die Koeffizienten der ungeraden Ordnungen gleich:

J₁₁(A)

sein. Dabei ist Jn die n-te Besselfunktion erster Art, wobei n die Beugungsordnung darstellt

Da sich die Koeffizienten etwa nach der η-ten Potenz von A ändern und da für einen Wert von A = '/2 π (wobei sich T also zwischen -1 und +1 ändern kann) die Lichtstärke dritter Ordnung nur gleich 1,6% der Lichtstärke erster Ordnung ist sind die von 1 verschiedenen ungeraden Ordnungen in bezug auf die Ordnung \ vernachlässigbar. Bei einer asymmetrischen Modulationsfunktion sind die geraden Ordnungen gewöhnlich ebenfalls vernachlässigbar, wenn die Ordnung 0 unterdrückt wird.

F i g. 3 und 4 zeigen zwei 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 t 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 photographischer Film oder die Auftreffplatte einer Aufnahmeröhre, angeordnet ist.

In der Vorrichtung nach F i g. 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 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 überzogen. Wenn das Phasenverschiebungsglied 4 aber zwischen dem Trenneleinent und dem Kristall angeordnet ist muß die bei einem einzigen Durchgang durch das Phasenverschiebungsglied eingeführte Phasenverschiebung gleich Ίιφο 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 wer den kann. Als Phasenverschiebungsglied sind verschie-

dene Elemente anwendbar:

Ein regelbarer Kompensator, ζ. 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 Pocke'e-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.

Eine elektrooptische Kerr-Zelle, die eine Flüssigkeit oder einen Kristall enthält, an die (am 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 14 73 212 und 79 284 der Anmelderin beschrieben worden ist.

Es ist bekannt, daß zur Vergrößerung 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 Polarisalionsspannung angelegt wird, derart, daß der Arbeitspunkt dem Arbeitspunkt entspricht, der mit Hiife eines Phasenverschiebungsgliedes 4 erhalten werden würde. Wie in den erwähnten Patentschriften beschrieben wurde, wird der Elektronenstrahl nicht moduliert und wirkt praktisch wie ein sich bewegender Kurzschluß, der das Potential des den Pockels-Effekt aufweisenden Kristalls bis auf einige Volt 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

ίο 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 können. 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 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 Übertragungskennlinie wirkt, bedeutet eine mittlere 0 der Datenübertragung

2s meistens eine mittlere 0 der angelegten elektrischer Ladung, d. h. eine Gleichspannungskomponente des angelegten Signals, die, bis auf einige Volt, gleich NuI ist. Der Unterschied von einigen Volt ist derr Unterschied zwischen dem Gitterpotential und derr Gleichgewichtsipotential eines Punktes der abgetasteter Oberfläche zuzuschreiben.

Die Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich be räumlicher Fourier-Transformation, Holographie, aku stischer Holographie, Zeichenidentifikation, optische

js Filterung usw. anwenden. Dabei können ein ode mehrere optische Relais in Verbindung mit einzelnei Filtern verwendet werden. Auch können die Relai: selber als Filter verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. 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 im Strahlengang hinter dem elektrooptischen Kristall angebrachten Analysator und einem optisehen System zum Konzentrieren der modulierten Strahlung auf einem Aufzeichnungsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Analysator (5) ein Phasenverschiebungsglied (4) angeordnet ist, das eine konstante Phasenverschiebung erzeugt, deren Vorzeichen dem der von dem elektrooptischen Kristall (2) eingeführten Phasenverschiebung entgegengesetzt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenverschiebungsglied (4) eine Platte aus einem doppelbrechenden Material ist, deren optische Achse zu einer der im elektrooptischen Kristall (2) induzierten neutralen Linien parallel ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Phasenverschiebungsglied (4) ein durch mindestens zwei keilförmige Platten gebildeter Kompensator ist wobei die neutralen Linien des Kompensator zu den im elektrooptischen Kristall (2) induziei ten neutralen Linien parallel sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Phasenverschiebungsglied (4) eine Kerr-Zelle ist von der zwei auf einander gegenüberliegenden Flächen angebrachte Elektroden zu der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes und zu einer der imi elektrooptischen Kristall (2) induzierten neutraien Linien parallel sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Phasenverschiebungsglied (4) eine den Pockels-Effekt aufweisende Zelle ist deren induzierte neutrale Linien zu den im elektrooptischen Kristall (2) induzierten neutralen Linien parallel sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Phasenverschiebungsglied (4) mit dem elektrooptischen Kristall (2) ein Ganzes bildet.