DE2136060B2 - Steuerbare digitale lichtablenkvorrichtung - Google Patents

Description

mit der Formel Sr(Qj₅) Ba^ Nb₂O*. Die Platte 16 aus clektro-optischem Lithiumniobatkristall ist so orientiert, &3 ein quer über dem Kristall in Richtung der 7-Achse des Kristalls (das heißt in der Dickenrichtung T) herrschendes elektrisches Feld den Brechungsindex für in dar x-Richtung (das heißt der Richtung der Braitendimension W) den Kristall durchdringendes licht ändern wird, falls das ankommende Licht ,polarisiert ist und falls das j&Feld dieses Lichtes parallel sann eingeprägten elektrischen Feld (senkrecht zu den Hauptflächen der Kristallplatte) liegt

Ein oder mehrere elektrische Felder werden der Kristallplatte 16 durch eine Mehrzahl von Elektroden aufgeprägt, die sich auf wenigstens einer Hauptfläche der Kristallplatte befinden. Eine erste spaltenartige Reihe von Elektroden 18, die jeweils gleiche Abmessungen und gleiche Abstände voneinander haben, befindet sich auf der Oberseite der Kristallplatte, Eine gleichförmige Spaltenreihe aus in Deckung mit den Elektroden 18 aufgebrachten Elektroden 18' befindet sich auf der Unterseite der Kristallplatte. Alle Elektroden 18 sind durch eine Sammelschiene 22 miteinander verbunden; entsprechend sind sämtliche Elektroden 18' durch eine Sammelschiene 22' verbunden. Die Sammelschiene 22 ist über einen Schalter 26 mit der einen Klemme einer elektrischen Spannungsquelle 28 gekoppelt, die Sammelschiene 22 über einen Schalter 26' mit der anderen Klemme der Spannungsquelle 28. Die Spannung der Quelle 28 kann etwa 150OV betragen. Durch die Anordnung der beschriebenen Teile kann zwischen den Elektroden 18 auf der Oberseite des Kristalls und den Elektroden 28' auf seiner Unterseite derart eine elektrische Spannung angelegt werden, daß in der Kristallplatte ein Beugungsgitter in Gestalt eines elektrischen Feldes hervorgerufen wird.

Die Dimensionen und Ablenkungseigenschaften des elektrischen Beugungsgitters innerhalb des Kristalls werden durch die Dimensionen und Abstände der Elektroden 18 und 18' bestimmt, die unter Anwendung allgemein bekannter photographischer Verfahren und Ätzvorgänge hergestellt werden. Die in F i g. 3 dargestellten Elektroden 18 und 18' haben eine Dimension d\ in Spaltenrichtung einen Abstand, der ebenfalls gleich di ist, und eine Dimension a in der anderen Richtung, die ungefähr gleich der halben Dimension d\ ist. Der einem den Kristall durchdringenden flachen Strahlungsbüschel erteilte Ablenkwinkel, der in F i g. 1 mit θ bezeichnet ist. s'eht in folgender Beziehung mit der Dimension und den Abständen der Elektroden 18:

sin W₁ = -i ,

wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist. Die Elektroden einer Spalte müssen nicht gleich dimensioniert und beabstandet sein, sondern ihre Abmessungen und Abstände können auch gemäß irgendeiner anderen periodischen Anordnung größer oder kleiner werden. Beispielsweise kann sich die Dimension a in der ^■-Richtung gemäß folgender Gleichung ändern:

a(Z) = sin

π Ζ

In diesem Fall Wird der Brechungsindex im Kristall eine sinusförmige Änderung in Z-Richtung erfahren und einen großen Prozentsatz an Gitterspektren erster . Die spaltenartige Reihe vua Elektroden liegt darstellungsgemäß rechtwinklig zur Richtung des ankommenden Strahles. Die Elektrodenspalte kann aber auch andere Transversalwinkel mit dem Strahl bildej, beispielsweise den Braggschen Winkel (Glanzwinkel). Wenn in diesem Fall auch die Dimension a der Elektroden stark vergrößert wird, treten keine Brechungskomponenten höherer Ordnung auf, und es kann -praktisch das gesamte licht des ankommenden Strahles abgelenkt werden.

Das im Lithiumniobatkristall durch die Elektroden erzeugte elektrische Feldgitter wirkt auf einen ankommenden Lichtstrahl, der in Richtung der y-Achse gemäß F i g. 2 polarisiert ist, als ein Phasengitter. Gemäß einer anderen möglichen Betriebsweise wirkt das elektrische Feldgitter als ein Polarisationsgitter, wenn das ankommende Licht in einer Richtung polarisiert ist, die ungefähr 45 Grad gegen die Richtung der K-Achse geneigt ist Bei Verwendung verschiedener Kristallmaterialien sollten die Orientierungen der KristaHachsen in Bezug zur Polarisation des ankommenden Lichtes und die Richtung des elektrischen Feldes nach allgemein bekannten Kriterien so gewählt werden, daß je nach Wunsch ein Phasengitter oder ein P&larisationsgitter geschaffen «vird.

Wenn also keine elektrische Spannung an die spaltenartigen Reihen von Elektroden 18 und 18' angelegt wird, durchläuft das an der dargestellten Position mit der Breite D ankommende Lichtstrahlenbüschel den Kristall direkt zur Ausgangsposition F in Fig. 1. Wenn aber eine elektrische Spannung angelegt wird, wird das Strahlenbüschel des Ausgangslichtes um einen durch den Winkel θ ausgedrückten Betrag zur Ausgangsposition Gabgelenkt.

Die Kristallplatte 16 ist ferner mit einer zweiten Spalte aus übereinstimmend d.h. in gegenseitiger Deckung aufgebrachten Elektroden 32 und 32' verse hen, die eine größere Dimension cfc und Abstände, die ebenfalls gleich <& sind, haben. Die grober dimensionierten Elektroden 32 und 32' der zweiten Spalte erzeugen ein gröberes elektrisches Bezugsgitter im Kristall als die Elektroden 18,18' der ersten Spalte. Die Elektroden der zweiten Spalte bewirken also bei ihrer Einschaltung eine geringere Ablenkung als die Elektroden der ersten Spalte. Auf der Platte 16 befinden sich nach weitere dritte, vierte und fünfte Spalten aus Elektroden 34, 34'. 36,36' und 38,38', die zunehmend größere Dimensionen haben, also zunehmend kleinere Ablenkungsbeträge des den Kristall durchdringenden Lichtes hervorrufen. Von den fünf Gruppen oder Spalten von Elektroden, mit der/ ,1 die Kristallplatte 16 somit darstellungsgemäß versehen ist, kann jede von der Quelle 28 mittels Schaltern gespeist werden, so daß sich entsprechend unterschiedlich große Ablenkungen des flachen Strahlungsbüschels ergeben, das durch den Kristall geleitet wird.

Eine zusätzliche Anzahl unterschiedlicher diskreter Ablenkungswinkel erhält man dann, wenn man mehr als nur eine Elektrodenspalte gleichzeitig einschaltet. Die Speisung jeder der verschiedenen möglichen Kombinationen von Elektrodenspalten führt zu einem entsprechend anderen Ablenkungswinkel der Ausgangsstrahlung des Kristalls. Die Zahl der verschiedenen Richtungen, in die das Ausgangslicht abgelenkt werden kann, ist gleich 2", wobei η die Anzahl der Elektrodenspalten auf dem Kristall ist. Sind beispielsweise darstellungsgemäß fünf Elektrodenspalten vorhanden, so kann das Licht in 32 verschiedene Richtungen

abgelenkt werden, wenn alle Spaltenkombinationen eingeschaltet werden können. Mit relativ wenigen Elektrodenspalten läßt sich also schon eine große Anzahl von verschiedenen Ablenkwinkeln erreichen.

Bei einer einfacheren, aber weniger wirkungsvollen Ausführungsform der Erfindung werden die Elektroden 18', 32', 34', 36' und 38' an der Unterseite der Kristallplatte durch eine durchgehende leitende Elektrode ersetzt, die sich über die gesamte Unterseite des Kristalls erstreckt und ständig an Masse liegt ι ο

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Ablenkungssystem erzeugt ein Ausgangslicht-Strahlungsbüschel mit einem der vielen gewünschten Ablenkungswinkel in einer Richtung, die in der Ebene des Strahlungsbüschels liegt Da es häufig erwünscht ist, einen abgelenkten einzelnen Ausgangsstrahl zu erzeugen, kann dem in F i g. 1 und 2 dargestellten System normalerweise eine (nicht dargestellte) konventionelle Optik folgen, welche das abgelenkte flache Strahlungsbüschel in einen abgelenkten Einzellichtstrahl umwandelt Zu diesem Zweck kann man eine Strahlkomprimiereinrichtung verwenden, die umgekehrt gleichartig wie die Strahlexpandiereinrichtung mit den Linsen 13,14 ist mit der der ankommende Lichtstrahl 10 verwandelt wird.

In F i g. 4 ist ein optisches Ablenksystem dargestellt, mit dem ein Lichtstrahl um einen von vielen möglichen diskreten Beträgen in eine gegebene Richtung abgelenkt und das resultierende Licht dann um einen von vielen diskreten Winkeln in eine orthogonale Richtung abgelenkt werden kann. Das optische System 12 und die Kristallplatte 16 sind die gleichen, wie sie in F i g. 1 und 2 dargestellt sind. Das Ausgangslicht der Kristallplatte 16 wird durch ein optisches System 50 geleitet welches das vertikal ausgerichtete Strahlungsbüschel von der Kristallplatte 16 in ein entsprechend abgelenktes horizontales flaches Lichtstrahlenbüschel umwandelt das einem Stapel 52 von Ablenkgliedern zugeführt wird, die jeweils wie die Platte 16 ausgebildet sind. Die Zahl der Ablenkplatten im Stapel 52 ist gleich der Zahl der möglichen Ausgangsablenkwinkel hinter der Ablenkvorrichtung mit der Platte 16. Wenn also darstellungsgemäß die Elektrodenspalten auf der Ablenkplatte 16 fünf verschiedene Ablenkungswinkel ermöglichen, enthält der Stapel 52 fünf gesonderte Ablenkplatten, die jeweils gleich der Platte i 6 sind.

Wenn durch die Elektrodenspalten der Ablenkplatte 16 dessen Ausgangslicht eine Ablenkung einer ersten gegebenen Größe erfährt, wird dieses abgelenkte Licht durch die erste Ablenkplatte im Stapel 52 geleitet Wenn in ähnlicher Weise die Elektrodenspalten der Ablenkplatte 16 so eingeschaltet werden, daß sich ein zweiter, vom ersten unterschiedlicher Ablenkwinkel ergibt gelangt dieses abgelenkte Licht durch die zweite Ablenkplatte im Stapel 52. In entsprechender Weise können die Elektrodenspalten in der Ablenkplatte 16 dazu verwendet werden, das Licht so abzulenken, daß es durch die dritte, vierte bzw. fünfte Ablenkplatte im Stapel 52 geleitet wird. Eine spaltenartige Reihe von Elektroden in irgendeiner der fünf Ablenkplatten im Stapel 52 kann so gespeist werden, daß das Licht eins zusätzliche Ablenkung in einer Richtung erfährt die orthogonal zur Richtung der durch die Ablenkplatte Ii bewirkten Ablenkung liegt Da man jeweils weiß welche spezielle Elektrodenspaite der Ablenkplatte IC erregt werden wird, muß nur eine einzige gewünscht« Elektrodenspalte in nur einer einzigen Ablenkplatte de; Stapels 52 eingeschaltet werden. Der zur (gleichzeiti gen) Ablenkung der Lichtstrahlung in zwei Richtungei erforderliche Leistungsverbrauch ist deshalb nur zwei mal so groß wie für die Ablenkung in einer einziger Richtung erforderliche Leistung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Steuerbare digitale Uchtablenkvorrichtung nut einer Platte aus elektro-optischem Kristallmaterial, s wenigstens einer quer zum Lichtstrahl verlaufenden Reihe äquidistanter, von Mitte zu Mitte einen Abstand in der Größenordnung der Lichtwellenlänge and gleiche Abmessungen aufweisender Elektroden auf einer Oberfläche der Platte, einer weiteren ίο Elektrode auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte und einer diese Elektroden umfassenden Einrichtung, die eine Spannungsdifferenz an die gegenüberliegenden Oberflächen der Platte legt, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtstrahl parallel zu den mit Elektroden (18,32,34,36, 38) versehenen Oberflächen der Platte als breites, flächenartiges und dünnes Strahlenbüschel durch den Kristall hindurchläuft, daß auf der mit der EJektrodenreihe versehenen Oberfläche in Richtung des Lichtstrahls gesehen hintereinander weitere solche Reihen von Elektroden angeordnet sind, daß die Abstände und Abmessungen der Elektroden von Reihe zu Reihe anders werden, daß die Elektroden innerhalb jeder der Reihen miteinander elektrisch verbunden sind und daß die die Spannung bereitstellenden Einrichtungen wahlweise in allen möglichen Kombinationen einzeln oder gemeinsam betätigbare Schalter (26) zum Anlegen einer Spannung an die Elektroden der jeweiligen Kombinationen dieser Reihen aufweisen.

2. Optisches Ablenksystem mit einer einzelnen Vorrichtung nach Anspruch 1, mit der das Strahlenbüschel in eine erste Richtung abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet daß ein Stapel (52) aus zusätzlichen Ablenkplatten von Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 vorgesehen ist, db jeweils das Ausgangslicht der einzelnen Ablenkvorrichtung (12, 16) empfangen können und mit ihren die Elektroden tragenden Oberflächen im wesentlichen rechtwinklig zu denjenigen der Platte (16) der einzelnen Ablenkvorrichtung liegen, daß eine optische Einrichtung (50) vorgesehen ist, die das Strahlenbüschel von der einzelnen Ablenkvorrichtung (12, 16) zum Eingangsrand einer Ablenkplatte innerhalb des Stapels (52) lenkt, welche durch die Ablenkung des Strahlenbüschels in der einzelnen Ablenkvorrichtung (12, 16) ausgewählt worden ist.

50

Die Erfindung betrifft eine steuerbare digitale Lichtablenkvorrichtung der im Gattungsbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Insbesondere für Datenverarbeitungsanlagen und _S5 deren Speicherfelder sind zahlreiche Systeme bekannt, die eine elektrisch steuerbare Lichtablenkvorrichtung benötigen, mit der ein beispielsweise von einem Laser erzeugter Lichtstrahl digital in eine von mehreren diskreten Ausgangsrichtungen oder -positionen ablenkbar ist. Die bekannten Lichtablenkvorrichtungen sind jedoch zu kompliziert und aufwendig und entsprechend teuer, verbrauchen zu viel Leistung und/oder arbeiten zu langsam. Beispielsweise die aus der Zeitschrift »The Radio and Electronic Engeneer« 34 (1967), Seiten 345-352 bekannte digitale Lichtablenkvorrichtung besteht aus mehreren separaten digitalen Lichtablenkpinheiten mit unterschiedlichen Ablenkwinkeln, die im Strahlengang angeordnet sind. Abgesehen davon, daß an des zahlreichen Medienübergängen Uchtverluste durch Reflexion und Streuung entstehen, ist diese Vorrichtung aufwendig and daher teuer und nimmt einen relativ großen Raum ein.

Aus der GB-PS 996083 ist eine steuerbare digitale Uchtablenkvorrichtung mit einer Platte aus elektrc-optiscbem Kristallmaterial bekannt, auf dem eine Reihe äquidistanter Elektroden mit einem Abstand in der Größenordnung der Lichtwellenlänge auf beiden Plattenseiten angeordnet ist, wobei an diese Elektroden eine Spannung angelegt wird. Bei dieser Vorrichtung besitzt die Platte aus elektro-optischem KristaJlmaterial nur einen Elektroden-Bereich, so daß es mit dieser bekannten Vorrichtung nicht möglich ist, das Strahlenbüschel durch einfache Steuerung in eine große Zahl von Ablenkwinkeln abzulenken.

Ausgehend von der zuletzt erwähnten Vorrichtung liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache, digitale Ablenkvorrichtung anzugeben, mit der das Strahlenbüschel durch einfache Steuerung in viele Ablenkwinkel abgelenkt werden kann, wobei die Ablenkvorrichtung möglichst einfach aufgebaut sein, einen geringen Leistungsverbrauch aufweisen und schnell arbeiten soll.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale erfindungsgemäß gelöst

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Anspruch 2 angegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Lichtablenkvorrichtung ist eine Ablenkung des Strahlenbüschels durch einfache Steuerung in viele Ablenkwinkel möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin einen wenig aufwendigen Aufbau, einen geringen Leistungsverbraucb und ein schnelles Ansprechverhalten auf.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine digitale Lichtablenkvorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Seitenansicht der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung,

F i g. 3 einen Teil der Vorrichtung mit weiteren Einzelheiten und

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht eines Ablenksystems, die die Ablenkvorrichtung gemäß F i g. 1 enthält und eine Ablenkung sowohl in X- Richtung wie auch in Y- Richtung ermöglicht

Bei der in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Vorrichtung wird ein Laserstrahl 10 auf ein optisches System 12 geworfen, das zur Umwandlung des Laserstrahls in ein breites, dünnes Strahlenbüschel (also eine blattförmige Lichtstrahlung) dient dessen Querschnitt eine relativ große Breite D und in der anderen Richtung eine relativ sehr kleine Dimension E hat Das dargestellte optische System 12 enthält Zylinderlinsen 13 und 14, doch können auch andere optische Systeme mit sphärischen Linsen oder optischen Dünnfilm-Wellenleiterverbindungsgliedern verwendet werden. Das optische System 12 enthält einen Polarisator 15, so daß das flache Strahlenbüschel hinter der Linse 14 aus parallelen oder kollimihierten Lichtstrahlen besteht, die in der in F i g. 2 gezeigten Richtung V polarisiert sind. Das polarisierte Strahlenbüschel mit den Dimensionen D Und E wird auf den Rand einer Platte 16 aus elektro-optischen Kristallmaterial gerichtet. Das Kristallmaterial kann beispielsweise Lithiumniobat (LiNbOs) sein. Ein anderes geeignetes Kristallmaterial ist Strontiumbariumniobat