DE2210320C3 - Akusto-optisches Ablenksystem - Google Patents
Akusto-optisches AblenksystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein akusto-optisches Ablenksystem zur Ablenkung eines monochromatischen Lichtbündels,
das nacheinander durch eine erste anamorphotische optische Vorrichtung, wenigstens eine akusto-optische
Ablenkzelle und eine zweite anamorphotisch^ optische Vorrichtung geht, wobei die Ablenkzelle ein
von dem Bündel durchquertes brechendes Medium und eine Einrichtung zur Aussendung einer Ultraschallwelle
enthält, die den Brechungsindex des Mediums derart moduliert, daß das Bündel in einer Ablenkebene
abgelenkt wird, die senkrecht zu der Wellenebene der Ultraschallwelle steht.
Ein solches Ablenksystem ist aus der US-FS 34 93 759 bekannt. Mit ihm kann ein monochromatisches Lichtbündel
unter der Steuerung eines elektrischen Signals abgelenkt werden. Bei diesen Ablenksystemen bestimmt
die Frequenz des elektrischen Steuersignals den Wert des Ablenkwinkels.
Dieses bekannte akusto-optische Ablenksystem besteht im wesentlichen aus einem Stab aus elastischem
Material, dessen Brechungsindex mit Hilfe einer Ultraschallwelle moduliert wird, die von einem elektromechanischen
Wandler stammt, der an einem der Enden des Stabes befestigt ist. Wenn an die Eingangsklemmen
des Wandlers ein elektrisches Steuersignal angelegt wird, erzeugen die Änderungen des Brechungsindex im
Innern des Stabes eine optische Reflexion. Bei Anwendung einer geeigneten Ultraschallenergiedichte
ist festzustellen, daß das abzulenkende Energiebündel eine vollkommene Reflexion erfährt, wenn es auf die
Ultraschallwelle unter dem Riaggschen Einfallswinkel
trifft. Wenn sich die Frequenz der Schallwelle anden, stellt man eine weniger ausgeprägte Reflexion und eine
Änderung der Richtung des reflektierten Bündels fest Man kann zeigen, daß der optische Reflexionsfaktor
einer akusto-optischen Ablenkzelle nur dann in der Nähe von Eins bleibt, wenn dir Ablenkbereich auf
einige Grad begrenzt ist Dies ist ein Nachteil, der auf dem Prinzip der akusto-optischen Ablenkung selbst
beruht
Zur Vermeidung dieses Nachteils kann man hinter
ίο einer akusto-optischen Ablenkzelle eine Lupe anbringen,
deren Vergrößerung die Erweiterung der Ausdehnung des Ablenkbereichs ermöglicht Der Raumbedarf,
die Kosten und die optischen Aberrationen dieser Kombination stellen jedoch weitere Nachteile dar.
Hinsichtlich des Winkelauflösungsvermögens kann man zeigen, daß die akusto-optische Ablenkzelle die
Unterscheidung einer Anzahl von verschiedenen Richtungen ermöglicht, die umso größer ist, je größer die
Breite des abgelenkten Bündels in der Ablenkebene ist.
Da die abzulenkenden Bündel im allgemeinen schmal sind, ist es erforderlich, vor und hinter der Ablenkzelle
optische Systeme anzubringen, damit der Querschnitt des Bündels zunächst verbreitert und dann wieder
verringert wird. Zu diesem Zweck kann man von afokalen optischen Systemen Gebrach machen, doch
weisen diese die gleichen Nachteile wie die zuvor erwähnte Lupe auf.
Die Ultraschalleistung, die erforderlich ist, um in der akusto-optischen Ablenkzelle die richtige Energiedichte
in zu erzeugen, hängt von dem Volumen der Wechselwirkungszone
der beiden Wellensysteme ab. Um diese Leistung in vemüftigen Grenzen zu halten, kann man
dem abzulenkenden Bündel einen elliptischen Querschnitt erteilen, dessen große Achse in der Ablenkebene
liegt. Diese in der US-PS 34 93 759 vorgeschlagene Maßnahme erfordert aber die Verwendung von
Zylinderlinsen, die vor und hinter der akusto-optischen Ablenkzelle angebracht sind; wenn diese Zylinderlinsen
in vollkommener Weise korrigiert sind, wrd der Raumbedarf auf Kosten des Herstellungspreises verringert.
Bei Verwendung primitiver Linsen wird der Raumbedarf der Ablenkvorrichtung unzulässig groß.
Die Ablenkvorrichtungen mit einer akusto-optischen Ablenkzelle können zwischen einer kohärenten Strah-5
lungsquelle und einem Projektionsobjektiv verwendet werden, damit auf einem Substrat ein praktisch
punktförmiger Lichtfleck gebildet wird; dieser Lichtfleck muß eine Anzahl von unterschiedlichen Lagen im
Innern eines Substratbereichs von geringer Ausdehnung einnehmen. Für sich allein betrachtet sind die akusto-optischen
Ablenkvorrichtungen in der Lage, ein dünnes Bündel mit geringer Divergenz in einer großen Anzahl
von verschiedenen Richtungen abzulenken, die in einem verhältnismäßig großen Winkelbereich enthalten sind.
Wenn jedoch eine solche Ablenkvorrichtung einem Projektionsobjektiv zugeordnet wird, muß man sich
nicht nur mit den Aberrationen der Ablenkvorrichtung befassen, sondern auch mit denjenigen des Objektivs.
Wenn der Querschnitt des abgelenkten Bündels klein ist, ist es in der Praxis notwendig, ein Objektiv mit kleiner
Brennweite zu verwenden.
Andererseits muß im Hinblick auf den großen Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung und die Tatsache.
da1^ der Drehpunkt des abgelenkten Bündels im Inneren
h5 liegt, ein Objektiv mit großer numerischer Öffnung
gewählt werden. Unter diesen Bedingungen muß die Korrektur der Aberrationen des Objektivs sehr weit
getrieben "erden woraus sich ein unzulässig hoher
Preis der Projektionsanordnung ergibt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines akustooptischen Ablenksystems, das bei geringen Raumabmessungen
und geringen Herstellungskosten einen großen Ablenkwinkel ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein akusto-optisches Ablenksystem der eingangs genannten Art gelöst, das
gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens eine der anamorphotischen optischen
Vorrichtungen durch wenigstens ein Prisma gebildet ist, das aus einem Material mit dem Brechungsindex η für
die Wellenlänge des Lichtbündels geformt ist und Eintritts- und Austrittsflächen aufweist, die zueinander
in einem Winkel 90°—θ stehen, dessen Cotangens gleich dem Brechungsindex ist. und daß die Eintrittsund
Austrittsflächen des Prismas senkrecht zu der Ablenkebene oder zu der Wellenebene stehen und so
gerichtet sind, daß das Bündel beim Durchgang durch das Prisma nur eine einzige Richtungsänderung erfährt.
Bei dem erfindungsgemäßen Ablenksystem wird der Ablenkwinkel-Verstärkungseffekt der Prismen ausgenutzt,
welche gleichzeitig den Querschnitt des Lichtbündels zur optimalen Ausnutzung des Volumens den
Ultraschallwellen anpassen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. In der Zeichnung zeigen
F i g. 1 und 2 Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung,
F i g. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Ablenkvorrichtung nach der
Erfindung,
F i g. 4 eine perspektivische Ansicht einer Einrichtungs-Ablenkvorrichtung,
die mehrere Kanäle aufweisen kann,
F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer zweistufigen Zweirichtungs- Ablenkvorrichtung,
F i g. 6 und 7 erläuternde Darstellungen,
F i g. 8 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Ablenksystems,
F i g. 9 eine perspektivische Ansicht von noch einer anderen Ausführungsform des Ablenksystems und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Ablenksystems.
Die Erfindung bezieht sich auf die akusto-optische Ablenkung von im wesentlichen monochromatischen
Strahlungsenergiebündeln; die Strahlungsenergie kann je nach Lage des Falls sichtbares Licht, Infrarotlicht
oder Ultraviolettlicht sein. Als Beispiel soll in der folgenden Beschreibung angenommen werden, daß das
abzulenkende Bündel ein paralleles Lichtbündel ist das von einem Argonlaser stammt
F i g. 1 zeigt ein Prisma 1, das aus einem brechenden
Material geschnitten ist das für die Wellenlänge des betreffenden Lichtbündels den Brechungsindex η hat.
Die schrägen Flächen 3 und 4 des Prismas 1 bilden miteinander einen Winkel, der gleich dem Komplement
des Brewster-Winkels θ ist Für diesen Winkel θ gilt
daß eine Lichtwelle, deren elektrischer Vektor in der Einfallsebene liegt ohne Reflexion gebrochen wird. Für
ein von Luft umgebenes Prisma in der Brewster-Winkel
θ durch die folgende Gleichung gegeben:
Der Lichtstrahl 5 trifft auf die Fläche 3 des Prismas 1 am Punkt Λ/mit einem Einfallswinkel θ in bezug auf die
Normale 2 auf; er wird im Innern des Prismas gebrochen und tritt senkrecht zur Fläche 4 aus. Man kann diesen
Punkt sehr leicht aufgrund der vorstehenden Gleichung nachprüfen. Ein Lichtstrahl 6, der im Abstand D\ parallel
zum Lichtstrahl 5 liegt, tritt in das Prisma 1 am Punkt M ein und verläßt dieses im Abstand D0 vom Lichtstrahl 5.
Die Strahlen 5 und 6 begrenzen ein paralleles Lichtbündel, dessen Ausdehnung in der Zeichenebene
von Fig. 1 sich im Verhältnis K=Do/D\ ändert, wenn
dieses Bündel das Prisma von links nach rechts durchläuft. Wenn der Querschnitt des Bündels an der
linken Seite kreisrund ist, wird er an der rechten Seite elliptisch, weil seine Ausdehnung senkrecht zu der
Zeichenebene von F i g. 1 keine Änderung erfahren kann. Die Anamorphose des Bündelquerschnitts kann
sehr leicht aufgrund der gleich großen rechtwinkligen Dreiecke MNR und MQN berechnet werden; man
erhält die folgende Beziehung:
>o Diese Gleichung zeigt, daß die Vergrößerung K
gleich dem Brechungsindex π des Prismas 1 ist. Diese Eigenschaft ist offensichtlich umkehrbar und kann dazu
verwendet werden, den Querschnitt eines Lichtbündels in einer Richtung zu verbreitern oder zu verringern.
Eine weitere, ebenso bemerkenswerte Eigenschaft des mit dem Brewsterschen Einfallswinkel verwendeten
Prismas ergibt sich aus einer Betrachtung eines Lichtstrahls 7. der mit dem Lichtstrahl 5 beim Eintritt in
die Fläche 4 des Prismas 1 einen Winkel dSa bildet Da
der Lichtstrahl 7 in das Prisma unter einem Einfallswinkel eindringt, der in der Nähe der Normalen auf die
Fläche 4 liegt, wird er im Innern des Prismas unter einem Winkel gebrochen, der im wesentlichen gleich
aSo/n ist Der gebrochene Lichtstrahl 7 erreicht die
Fläche 3 am Punkt /Vi unter dem Einfallswinkel (π/2-Q-dSo/n). Beim Austritt aus der Fläche 3 bildet
der Lichtstrahl 7 mit der Normalen im Punkt Ni einen
Winkel (Θ — dSi), wobei dSi die Richtungsänderung des
Lichtstrahls 7 in bezug auf den Lichtstrahl 5 darstellt.
Durch Anwendung des Brechungsgesetzes für die schräge Brechung am Punkt Nj erhält man die folgende
Bedingung:
sin (θ — dSi) = nsin( ^— θ
V 2
die sich aufgrund der Beziehung tg θ = η vereinfachen
läßt.
Man erhält schließlich die Beziehung:
Man erhält schließlich die Beziehung:
irr — "-
Die vorstehende Beschreibung läßt die Tatsache erkennen, daß das Prisma 1 in der Lage ist ohne die
geringste Aberration zu verursachen, nicht nur die Breite eines Bündels im Verhältnis n zu ändern, sondern
auch den Ablenkwinkel des gleichen Bündels in dem Verhältnis η zu ändern. Mit anderen Worten: Wenn die
Breite des Bündels mit n multipliziert wird, wird sein
Ablenkwinkel durch η dividiert und umgekehrt
Falls das Lichtbündel so polarisiert ist daß sein elektrischer Vektor in der Zeichenebene enthalten ist
ist die Energieübertragung beim Durchgang durch die Fläche 3 ausgezeichnet; nur der Durchgang durch die
Fläche 4 verursacht einen geringfügigen Verlust, den man durch eine geeignete optische Behandlung dieser
Fläche beseitigen kann.
F i g. 2 zeigt eine Prismenkette aus Prismen 1,8,9, die
in der gleichen Weise wie das Prisma von F i g. 1 geschnitten und ausgerichtet sind. Es ist zu erkennen,
daß die einander zugewandten Flächen von zwei aufeinanderfolgenden Prismen miteinander den Brewster-Winkel
Θ einschließen und daß das gleiche für die beiden anderen Flächen gilt. Wenn ρ die Anzahl der die
Prismenkette von F i g. 2 bildenden Prismen ist, gilt:
dS0
10
Diese sehr einfache Beziehung läßt sich dadurch nachprüfen, daß die Lichtstrahlen 11, 10 und 12
gezeichnet werden, die den Lichtstrahlen 5,6 bzw. 7 von Fig. i entsprechen; D3 stent die Breite des Bündels am
Ausgang des Prismas 9 dar, und 5z ist sein Ablenkwinkel,
wenn es um dSo am Eingang des Prismas 1 abgelenkt wird.
Die Erfahrung zeigt, daß ein optisches System der in
Fig.2 dargestellten Art einen geringen Raumbedarf und einen Lichtwirkungsgrad in der Nähe von Eins
aufweist und vollkommen frei von Aberrationen ist; dies gilt für einen Ablenkbereich, der etwa 15° erreicht,
wenn drei Prismen verwendet werden, die aus einem brechenden Material mit einem Brechungsindex in der
Nähe von 1,8 geschnitten sind. Ferner haben die aus dem Prisma 9 austretenden Anteile einen Drehpunkt, der in
der Nähe der Austrittsfläche dieses Prismas liegt.
F i g. 3 zeigt ein akusto-optisches Ablenksystem mit einer akusto-optischen Ablenkzelle, die aus einem
elastischen Stab 15 aus brechendem Material besteht. Am einen Ende dieses Stabes ist ein elektromechanischer
Wandler 1€ befestigt, der durch eine Wechselspannung erregt wird, die von einen frequenzveränderlichen
Generator 17 kommt Der Wandler 17 erzeugt in dem Stab ein Ultraschallenergiebündel 20, das seinen
Brechungsindex moduliert; der Stab verhält sich dann wie ein geschichtetes Medium, das in der Lage ist, ein
Lichtbündel von seinem Eintrittsweg abzulenken, wobei der Abschnitt 24 des Lichtbündels mit der Ultraschallwelle
20 zur Erzeugung der Ablenkung dx in Wechselwirkung tritt Wenn die Ultraschallfrequenz
unter dem Einfluß eines dem Eingang 21 des Generators 17 zugeführten Steuersignals geringfügig geändert wird,
beobachtet man bekanntlich eine entsprechende Änderung des Ablenkwinkels dx Es ist auch bekannt daß die
Intensität des abgelenkten Lichtbündels nur dann im wesentlichen gleich der Intensität des einfallenden
Lichtbündels ist, wenn die Ultraschallenergiedichte in der Wechselwirkungszone einen geeigneten Wert hat;
es ist auch erforderlich, daß der Änderungsbereich des
Winkels dx einige Grade nicht überschreitet
Diese beiden Bedingungen haben zur Folge, daß die akusto-optische Ablenkzelle, für sich allein genommen,
im wesentlichen ein Ablenksystem mit kleiner Ablenkamplitude ist
Wenn eine große Anzahl von verschiedenen Richtungen in dem Ablenkbereich mit einem im wesentlichen
gleichförmigen optischen Wirkungsgrad erhalten werden sollen, ist es offensichtlich erforderlich, daß ein
Lichtbündel von beträchtlicher Breite durch die AblenkzeUe geht Wenn der Querschnitt des Bündels
kreisrund ist, ist die Wechselwirkungszone umfangreich,
und sie erfordert eine hohe Ultraschalleistung, so daß für eine Frequenz von mehreren zehn Megahertz ein
verhältnismäßig teurer elektrischer Generator angewendet werden muß.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist die akusto-optische AblenkzeUe von F i g. 3 zwischen zwei Prismenketten
angeordnet, nämlich einer ersten Prismenkette 13, 14 an der Eintrittsseite und einer zweiten Prismenkette
18,19 an der Austrittsseite. Ein Lichtbündel breitet sich im Innern des optischen Systems von F i g. 3 so aus, wie
der schraffierte Bereich zeigt, der zwischen zwei Lichtstrahlen liegt, von denen der eine durch eine
gestrichelte Linie und der andere durch eine strichpunktierte Linie dargestellt sind. Der Abschnitt 22 des
Lichtbündels entspricht beispielsweise einer ebenen Welle P0, die unter dem Brewster-Winkel Θ auf die
Eintrittsfläche des Prismas 13 trifft Der Abschnitt 23 des Bündels tritt aus dem Prisma 13 mit einer im
Verhältnis η vergrößerten Breite aus. Das Prisma 14 wirkt in gleicher Weise und liefert zu der AblenkzeUe 15
ein Bündel, dessen stark verbreiterter Abschnitt 24 durch die Ultraschallwelle 20 um den Winkel dx
abgelenkt wird. Am Ausgang der AblenkzeUe 15 übertragen die Prismen 18 und 19 Bündelabschnitte 25
und 26 mit abnehmenden Breiten. Das aus dem System von F i g. 3 austretende Licht bleibt eine ebene Welle P1;
unter der Voraussetzung, daß auf jeder Seite der AblenkzeUe 5 die gleiche Anzahl von Prismen
verwendet wird, hat das Bündel 26 genau die gleiche Form wie das Eintrittsbündel 22.
Wenn man die Frequenz der Ultraschallwelle ändert, ändert sich die Ablenkung dx um einen Betrag, der in
einem schmalen Bereich bleibt Dagegen erfährt der Abschnitt 26 des Bündels eine Richtungsänderung, die
gleich diesem Betrag multipliziert mit nP ist. Die
beträchtliche Verstärkung der Ablenkung, die sich aus der Wirkung der Prismenketten 18, 19 ergibt, wird
automatisch erhalten, während gleichzeitig das abgelenkte Bündel wieder seine ursprüngliche Form
annimmt. Die Prismenkette 13, 14 liegt vor der AblenkzeUe und trägt daher nichts zur Vergrößerung
des Ablenkwinkels des Bündels bei. Sie ergibt jedoch den beträchtlichen Vorteil, daß die Verbreiterung des
abzulenkenden Bündels in der Ablenkebene besser als mit jedem anderen optischen System erreicht werden
kann.
Die Verwendung der Prismen 18 und 19 erweitert den Anwendungsbereich der akusto-optischen Ablenkzellen;
die Hinzufügung von Prismen ist ferner ein ausgezeichnetes Mittel zur Verringerung des Raumbedarfs
und des Ultraschallenergieverbrauchs.
F i g. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform des akusto-optischen Ablenksystems. Die
akusto-optische AblenkzeUe 31 enthält einen elastischen Stab, der die von der Strahlungsquelle 27
kommende Strahlungsenergie überträgt An einem
Ende des Stabes sind elektromechanische Wandler 36 und 37 angebracht, die sehr scharf gerichtete Ultraschallbündel
aussenden können. Diese Wandler werden von Generatoren 38 bzw. 39 erregt, die Wechselspannungen
abgeben, deren Frequenzen sich in Übereinstimmung mit Ablenksignalen ändern, die den Eingängen 40
bzw. 41 zugeführt werden. Zu beiden Seiten der akusto-optischen Ablenkzelle 31 sind Prismenketten 28,
29,30 bzw. 32,33,34 angeordnet
Fig.4 zeigt den Weg eines von der Quelle 27
ausgestrahlten schmalen Energiebündels 35. Dieses schmale Energiebündel 35 ist ein paralleles Bündel mit
einem kreisrunden Querschnitt, der sich beim Durchgang durch die Prismen 28, 29 und 30 in Abschnitte mit
immer breiterem elliptischem Querschnitt umformt Auf der Höhe der AblenkzeUe 31 ist die auseestrahlte
Energie in einem sehr abgeflachten Volumen enthalten, das gestrichelt dargestellt ist. Dieses Volumen liegt im
Weg der Ultraschallenergie, die beispielsweise von dem Wandler 36 ausgesendet wird; sie läßt ein abgelenktes
Bündel entstehen, das nacheinander durch die Prismen ■> 32, 3Ά und 34 geht. Am Ausgang des Prismas 34 hat das
abgelenkte Bündel 44 wieder den kreisrunden Querschnitt angenommen, den es ursprünglich hatte. Die zum
Wandler 36 gelieferte Ultraschallenergie ist beträchtlich kleiner als die Energie, die geliefert werden müßte,
wenn das abzulenkende Bündel einen Durchmesser hätte, der der großen Achse des wirklichen elliptischen
Querschnitts vergleichbar wäre. Die Erfahrung zeigt, daß durch Anwendung einer Kette von drei Prismen die
für die vollständige Ablenkung der Strahlungsenergie erforderliche Ultraschall-Erregungsleistung auf den
zehnten Teil verringert werden kann.
Das System von Fig.4 ermöglicht die Ablenkung
mehrerer getrennter Bündel in parallelen Ebenen. Zu diesem Zweck genügt es, den Stab 31 mit mehreren
Wandlern 36,37 usw. zu versehen. Es versteht sich von selbst, daß man zur Bildung eines Mehrkanal-Ablenksystems
auch mehrere übereinanderliegende Stäbe vorsehen kann. Man kann auch zwischen den Prismenketten
mehrere Stäbe in Kaskade anordnen, damit eine Gesarntablenkung aufgrund von mehreren Elementarablenkungen
erhalten wird, deren Amplituden sich addieren.
Die in F i g. 4 in vollen Linien dargestellte Ablenkvorrichtung ist frei von Aberrationen; sie eignet sich daher JQ
zur verzerrungsfreien Übertragung von jeder Art von räumlicher Modulation, die dem abzulenkenden Bündel
erteilt wird. Der hinsichtlich der Ultraschall-Erregungsleistung erzielbare Gewinn kann noch dadurch erhöht
werden, daß vor und hinter dem System 28 bis 34 Zylinderlinsen 42 und 43 angeordnet werden, die ein
afokales System bilden, dessen Konvergenzpunkt in der Wechselwirkungszone des Stabes 31 liegt. Diese
Maßnahme ermöglicht es, die kleine Achse des elliptischen Querschnitts des Bündels im Innern der ίο
Ablenkzelle noch feiner zu machen. Hierdurch wird keine merkliche Verzerrung verursacht, denn die Linsen
42 und 43 liegen an Punkten, an denen das Bündel sehr dünn im Vergleich zur Brennweite ist.
Anstelle der Verwendung von Zylinderlinsen 42. und
43 kann man auch das Bündel in der Richtung senkrecht zur Ablenkebene mit Hilfe von Prismen dünner machen,
die demjenigen von F i g. 1 ähnlich sind.
Die Übertragung der Strahlungsenergie durch das beschriebene Ablenksystem erfolgt mit einem hohen
Wirkungsgrad; an jeder zweiten Prismenfläche wird nämlich die Energie unter dem Brewster-Winkel
empfangen oder ibgegeben, und die übrigen Prismenflächen verursachen nur geringe Verluste. Man kann
jedoch diese geringen Verluste durch eine optische Behandlung der betreffenden Flächen noch beseitigen.
Die Prismen 30 und 32 können in einer allgemein bekannten Klebetechnik fest mit den Seitenflächen der
Ablenkzelle 31 verbunden werden. Man kann auch die aus den Teilen 30, 31 und 32 bestehende Anordnung in
einem Stück aus einem Material mit großem Brechungsindex η schneiden, das gute akusto-optische Ablenkeigenschaften
hat
F i g. 5 zeigt in perspektivischer Ansicht ein akustooptisches Zweirichtungs-Ablenksystem. Es enthält eine *5
erste Ablenkvorrichtung mit einer an einen Generator 51 angeschlossenen akusto-optischen Ablenkzelle 47,50
und mit zwei Prismenketten 45,46 und 48,49.
Am Ausgang der ersten Ablenkvorrichtung ist senkrecht dazu eine zweite Ablenkvorrichtung angeordnet,
die eine mit einem Generator 59 verbundene akusto-optische Ablenkzelle 55, 58 und zwei Prismenketten
53, 54 und 56, 57 enthält. Ein Lichtstrahl geht entlang der gestrichelten Linie durch das Ablenksystem
von F i g. 5. Der Abschnitt 62 dieses Lichtstrahls erfährt in bezug auf den Abschnitt 61 eine Ablenkung in einer
Ebene, die parallel zu den Dreiecksflächen der Prismen 45, 46, 48, 49 liegt. Der Abschnitt 63 des gleichen
Lichtstrahls erfährt eine Ablenkung in einer Ebene, die parallel zu den Dreiecksflächen der Prismen 53, 54, 56,
57 liegt. Die Zweirichtungs-Ablenkung wird dadurch erhalten, daß den Eingängen 52 und 60 der Generatoren
51 bzw. 59 Ablenkspannungen zugeführt werden, welche die Frequenz der Ultraschallwellen ändern, die
von den elektromechanischen Wandlern 50 und 58 erregt werden. In F i g. 5 ist zu erkennen, daß die rechte
Ablenkvorrichtung schmäler als die linke Ablenkvorrichtung ist; dieser Unterschied ist um so größer, je
größer die Längsausdehnung der Ablenkvorrichtungen ist. Da die beschriebenen Ablenkvorrichtungen verhältnismäßig
kurz sind, ist auch die Querausdehnung der zweiten Ablenkvorrichtung gering.
Es ist zu bemerken, daß die in Fig.3, 4 und 5
dargestellten Ablenksysteme hinter einer Lichtquelle als Schnellabtasteinrichtung verwendet werden können,
jedoch auch mit einem fotoelektrischen Wandler verbunden werden können, damit die Lichtemission, die
von einem mit quasimonochromatischem Licht angestrahlten Objekt kommt, mit großer Geschwindigkeit
analysiert werden kann. In Verbindung mit einer Sammellinse können die akuso-optischen Ablenksysteme
als Lichtbündelumsetzer arbeiten.
In bestimmten Anwendungsfällen kann man einem Ablenksystem ein Projektionsobjektiv zuordnen, damit
auf einem Bildschirm ein Lichtfleck erzeugt wird, der sich in einer oder mehreren verschiedenen Richtungen
bewegen kann. Bei dieser Anwendungsart ist es zweckmäßig, ein Projektionsobjektiv mit verhältnismäßig
großer Brennweite und mäßiger numerischer öffnung zu verwenden; in diesem Fall ist diesem
Projektionsobjektiv ein akusto-optisches Ablenksystem zuzuordnen, dessen abgelenktes Bündel einen merklichen
Teil der Pupille des Objektivs beleuchtet und sich bei der Ablenkung nur wenig auf dieser Pupille bewegt.
Da sich das Objektiv nicht im Drehpunkt des Bündels befinden kann, muß die Ablenkamplitude entsprechend
verringert werden.
F i g. 6 zeigt ein Projektionssystem, das einen Lichtfleck auf einen Schirm 66 wirft Dieses System
enthält eine Lichtablenkvorrichtung 64 und ein Projektionsobjektiv 65. Das Lichtbündel 67 beleuchtet die
Mitte eines Bereichs AL des Schirms 66, kann jedoch unter der Wirkung der Ablenkvorrichtung 64 die
Extremstellung 68 einnehmen, die der Beleuchtung des rechten Randes des Bereichs AL entspricht
In Fig.6 ist angenommen, daß das Bündel 67 ein
paralleles Bündel mit kleinem Querschnitt ist, das eine beträchtliche Winkelablenkung erfahren kann, wobei
aber zur Erzielung eines sehr feinen Lichtflecks der Konvergenzwinkel λ verhältnismäßig groß gewählt ist
Daraus ergibt es sich, daß die Linse 65 eine kurze Brennweite haben muß und in kleinem Abstand von
dem Schirm 66 liegen muß. Trotz der kleinen Brennweite bleibt der Bereich Δ L wegen der beträchtlichen
Ablenkamplitude der Ablenkvorrichtung 64 verhältnismäßig ausgedehnt
Das System von F i g. 6 macht von einer Linse 65 mit großer numerischer Öffnung Gebrauch, denn deren
Pupille muß ausreichend groß sein, daß sie das Bündel 67 in allen von der Ablenkvorrichtung 64 vorgegebenen
Richtungen empfangen kann. Es ist auch festzustellen, daß die Aberrationen in einem ausgedehnten Feld in
vollkommener Weise korrigiert sein müssen, so daß es schwierig ist, alle diese Bedingungen mit Objektiven
geläufiger Konstruktion zu erfüllen.
Um die Verwendung außerordentlich teurer Objekti- iu
ve zu vermeiden, kann man die Betriebseigenschaften der akusto-optischen Ablenkvorrichtung ändern.
F i g. 7 zeigt ein Ablenksystem, das mit einer Linse 65 ausgebildet ist, deren Brennweite K Mal größer als bei
der entsprechenden Linse von F i g. 6 ist. Zur Erleichterung des Vergleichs sind der gleiche Bereich AL und der
gleiche Durchmesser des Lichtflecks beibehalten worden; es ist daher ein abgelenktes Bündel gewählt
worden, dessen Querschnitt umd as K-fache größer und
dessen Ablenkwinkelamplitude um das K-fache kleiner sind. In F i g. 7 ist festzustellen, daß der Durchmesser der
Linse 65 kaum größer als der Durchmesser des Bündels 67 ist, und daß ihre numerische öffnung bei weitem
kleiner als die öffnung ist, die im Fall von Fig.6
vorgesehen werden mußte. Daraus geht hervor, daß die Korrektur der Aberrationen des Projektionsobjektivs
beträchtlich erleichtert ist, vorausgesetzt, daß dieses Projektionsobjektiv einer Ablenkvorrichtung zugeordnet
wird, die ein Bündel von großem Querschnitt liefert, das verhältnismäßig wenig abgelenkt wird. in
Ein dem Prinzipschema von F i g. 7 entsprechendes Ablenksystem ist in F i g. 8 dargestellt. Es besteht aus
einer ersten Prismenkette 70, 71, einer zweiten Prismenkette 76, 77 und einer akusto-optischen
Ablenkzelle, die durch einen elastischen Stab 72 gebildet ist, in dem ein Ultraschallbündel mit Hilfe eines
elektromechanischen Wandlers 73 erregt wird.
Der Wandler 73 wird von einem elektrischen Generator 74 erregt, dessen Schwingungsfrequenz
durch ein Ablenksignal Sx gesteuert wird. Das Ablenksystem von F i g. 8 empfängt ein Lichtbündel 69
mit kleinem kreisrundem Querschnitt und liefert ein abgelenktes Bündel 78 mit vergrößertem kreisrundem
Querschnitt, das in das Projektionsobjektiv 79 eintritt.
Bekanntlich erfährt das Bündel 69 eine Anamorphose seines Querschnitts beim Durchgang durch die Prismenkette
70, 71. Am Ausgang der Ablenkzelle 72, 73 erhält man ein Bündel 75, dessen elliptischer Querschnitt eine
merkliche Verbreiterung in der X-Richtung aufweist. Diese Verbreiterung begünstigt die akusto-optische so
Wechselwirkung mit der Ultraschallwelle, die sich in der Ablenkzelle 72 in der ,^-Richtung ausbreitet. Ferner ist
die Ablenkebene des Bündeis 75 die ÄZ-Ebene. die senkrecht zu den schrägen Eintritts- und Austrittsflächen
der Prismen 70 und 71 steht. Wenn man hinter der Ablenkzelle 72 eine Prismenkette anordnen würde, die
in bezug auf die ΛΎ-Ebene spiegelbildlich zu der
Prismenkette 70, 71 wäre, würde man am Eingang des Objektivs 79 ein stark abgelenktes Bündel erhalten, das
genau den gleichen Querschnitt wie das einfallende Bündel 69 hätte.
Bei der Anordnung von F i g. 8 sind aber die schrägen Flächen der Prismen 76, 77 der hinter der Ablenkzelle
72 liegenden Prismenkette so angeordnet, daß ihre gemeinsamen Kanten parallel zu der Ablenkebene XZ
liegen. Außerdem sind die Prismenketten 76,77 und 70,
71 gleich, und sie werden von dem Licht in der gleichen Richtung durchlaufen. Es bestehen also zwei aufeinanderfolgende
Anamorphosen, die die Wirkung ergeben, daß der Querschnitt des Bündels zunächst in der
Richtung der X-Achse und anschließend in der Richtung der Y-Achse gedehnt wird. Das Bündel 78 hat also einen
kreisrunden Querschnitt, dessen Durchmesser wesentlich größer als der Durchmesser des Querschnitts des
einfallenden Bündels 69 ist. Da die schrägen Eintrittsund Austrittsflächen der Prismen 76 und 77 senkrecht
zur VZ-Ebene stehen, erhält man keine Ablenkverstärkung beim Durchgang durch diese Prismen. Das Fehlen
einer solchen Verstärkung ist jedoch in keiner Weise störend, wie anhand von F i g. 7 erläutert worden ist.
Die Anordnung von Fig.8 ist ein akusto-optisches
Ablenksystem mit einer einzigen Ablenkrichtung das ein dünnes Bündel 69 in geeigneter Weise ablenken
kann.
Dieses System kann auch ohne weiteres in umgekehrter Richtung verwendet werden. In diesem Fall ist das
breite Bündel 78 das einfallende Bündel, das abgelenkt werden soll, und das dünne Bündel 69 wird das
abgelenkte Bündel. Diese Art der Verwendung des Ablenksystems von F i g. 8 erweist sich dann als
vorteilhaft, wenn die Lichtquelle eine inkohärente Lichtquelle ist, denn bekanntlich ist es mit solchen
Lichtquellen nicht möglich, im wesentlichen parallele dünne Bündel zu erhalten, wie dies bei Lasern der Fall
ist.
In zahlreichen Anwendungsfällen begnügt man sich nicht damit, ein Projektionsobjektiv in Verbindung mit
einem einzigen akusto-optischen Ablenksystem zu verwenden. Wenn eine Fläche in zwei zueinander
senkrechten Richtungen X und Y abgetastet werden soll, werden zwei Ablenksysteme in Kaskade angeordnet.
F i g. 9 zeigt ein akusto-optisches AV-Abtastsystem zur Abtastung eines Schirms 99 mit Hilfe eines
Lichtbündels 81, das von einer kohärenten Quelle 80 abgegeben wird. Eine erste akusto-optische Ablenkvorrichtung
82, 83, 84, 85, 86, 87, 92 bewirkt unter der Steuerung durch ein Signal Sa die Ablenkung des
dünnen Bündels 81 in der X-Richtung. Das von dieser ersten Ablenkvorrichtung abgegebene dünne Bündel
wird von einer zweiten akusto-optischen Ablenkvorrichtung 89, 90, 91, 93, 94, 95, 96 empfangen, die unter
der Steuerung des Signals Sydie Ablenkung des dünnen Bündels 88 in der V-Richtung vornimmt. Das abgelenkte
Bündel 97 besitzt einen vergrößerten Querschnitt, damit es einen merklichen Teil der Pupille des Projektionsobjektivs
98 bedeckt.
Wegen der jeweiligen Orientierungen der Prismenketten 82, 83 und 85, 86 hat das Bündel 88 genau den
gleichen Querschnitt wie das Bündel 81; ferner weist das Bündel 88 infolge des Durchgangs durch die Prismen S5
und 86 eine Ablenkverstärkung auf, die beim Durchgang durch die Prismen 89 und 90 erhalten bleibt. Diese
Ablenkverstärkung wird jedoch beim Durchgang durch die Prismen 94 und 95 wieder beseitigt.
Die zweite akusto-optische Ablenkvorrichtung hat die gleiche Wirkungsweise wie die Ablenkvorrichtung
von F i g. 8. Man erhält also in der zweiten Ablenkvorrichtung keine Ablenkverstärkung, jedoch eine beträchtliche
Verbreiterung des Querschnitts des Bündels 97. Insgesamt ergibt das Ablenksystem von F i g. 9 die
gleichen Vorteile wie das Ablenksystem von F i g. 8. Da die Anforderungen hinsichtlich der Aberrationen des
Projektionsobjektivs 98 verringert sind, ist es möglich, das Projektionsobjektiv in Form einer bei kohärentem
Licht verwendbaren holographischen Linse auszufüh-
ren; infoige des Fehlens von Aberrationen in den Ablenkvorrichtungen wird jede Vorzerrung der Wellenflächen
vermieden, welche die holographische Linse beleuchten.
Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform eines akusto-optischen Xy-Abtastsystems zur Abtastung
eines Schirms 119 mit Hilfe einer kohärenten Quelle 100.
Das Ablenksystem von Fig. 10 enthält eine erste
akustooptische Ablenkvorrichtung 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, die genau in der gleichen Weise wie das
Ablenksystem von Fig.8 arbeitet Das einfallende dünne Bündel 101 wird in ein breites Bündel 109
umgeformt, das in Abhängigkeit von dem Steuersignal Sx in der X-Richtung abgelenkt wird.
Eine zweite akusto-optische Ablenkvorrichtung 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116 ist zwischen der ersten
Ablenkvorrichtung und dem Projektionsobjektiv 118 angeordnet damit es die Ablenkung in der y-Richtung
unter der Steuerung durch das Signal SY durchführt Die
Prismenketten 110,111 und 115,116 sind so angeordnet,
daß das Bündel 109 eine Querschnittsverringerung am Eintritt der Ablenkzelle 112 erfährt, und daß der
ursprüngliche Wert des Querschnitts am Eingang des Objektivs 118 wiederhergestellt ist Der Durchgang
durch die Prismenketten (107,108), (110,111) und (115,
116) ergibt keine Ablenkverstärkung, so daß das Bündel 117 verhältnismäßig wenig abgelenkt ist; dies ist kein
Nachteil, weil das Objektiv 118 eine beträchtliche Brennweite hat
Hinsichtlich des Ablenksystems von Fig. 10 können
die gleichen Bemerkungen wie für das Ablenksystem von Fig.9 gemacht werden. Die Linse 118 kam
gegebenenfalls eine holographische Linse sein, und die Anordnung kann dazu dienen, ein breites Bündel 117 in
ein dünnes Bündel 101 umzuformen.
Abschließend ist zu bemerken, daß die F i g. 9 und 10
alle möglichen Konfigurationen von akusto-optischen Ablenkvorrichtungen mit Prismenketten zeigen. Da sich
diese nur durch die Orientierung der Prismen und ihrer Reihenfolge unterscheiden, ist es möglich, ein Universalbauteil
herzustellen, das an jede beliebige Anwendungsform dadurch angepaßt werden kann, daß drei
Baugruppen aneinandergefügt werden, die aus einer ersten Prismenkette, einer Ablenkzelle bzw. einer
zweiten Prismenkette bestehen.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (22)
1. Akusto-optisches Ablenksystem zur Ablenkung eines monochromatischen Lichtbündels, das nacheinander
durch eine erste anamorphotische optische Vorrichtung, wenigstens eine akusto-optische Ablenkzelle
und eine zweite anamorphotische optische Vorrichtung geht, wobei die Ablenkzelle ein von
dem Bündel durchquertes brechendes Medium und eine Einrichtung zur Aussendung einer Ultraschall- \o
welle enthält, die den Brechungsindex des Mediums derart moduliert, daß das Bündel in einer Ablenkebene
abgelenkt wird, die senkrecht zu der Wellenebene der Ultraschallwelle steht, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens eine der anamorphotisch en optischen Vorrichtungen durch
wenigstens ein Prisma gebildet ist, das aus einem Material mit dem Brechungsindex π für die
Wellenlänge des Lichtbündels geformt ist und Eintritts- und Austrittsflächen aufweist, die zueinander
in einem Winkel 90° -Θ stehen, dessen Cotangens gleich dem Brechungsindex ist, und daß
die Eintritts- und Austrittsflächen des Prismas senkrecht zu der Ablenkebene oder zu der
Wellenebene stehen und so gerichtet sind, daß das Bündel beim Durchgang durch das Prisma nur eine
einzige Richtungsänderung erfährt.
2. Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der anamorpliotischen
optischen Vorrichtungen eine Prismenkette aufweist, daß jedes Prisma der Prismenkette
zwei Flächen hat, die senkrecht zu der Ablenkebene stehen und miteinander einen Winkel einschließen,
der gleich dem Winkel 90° — Θ ist, daß die einander gegenüberliegenden Flächen von zwei aufeinanderfolgenden
Prismen der Prismenkette miteinander einen Winkel bilden, der gleich dem Winkel Θ ist,
und daß die anderen Flächen der aufeinanderfolgenden Prismen miteinander einen Winkel bilden, der
gl eich dem Winkel Θ ist.
3. Ablenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der anamorphotischen
optischen Vorrichtungen wenigstens ein Prisma enthält, das zwei Flächen hat, die senkrecht zu der
Ablenkebene stehen und miteinander einen Winkel einschließen, der gleich 90°-Θ ist, und daß die
Ablenkzelle einen Stab enthält, der zwei Seitenflächen hat, die jeweils einer Prismenfläche gegenüberliegen,
die zu der ersten bzw. zu der zweiten anamorphotischen optischen Vorrichtung gehört.
4. Ablenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen im wesentlichen
parallel zu den gegenüberliegenden Prismenflächen liegen.
5. Ablenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen in Berührung
mit den gegenüberliegenden Prismenflächen stehen.
6. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die anamorphotischen
Vorrichtungen wenigstens teilweise durch zwei einen dreieckigen Querschnitt aufweisende
Abschnitte eines prismatischen Blocks mit trapezförmigem Querschnitt gebildet sind, dessen mittlerer
Abschnitt dem Stab entspricht, und daß elektromechanische Wandlereinrichlungen zur Erregung eines >
, gerichteten Ultraschallenergiebündels in dem mittleren Abschnitt vorgesehen sind.
7. Ablenksystem nach einem der AnspriU 10 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fläche jedes Prismas einen Antireflexüberzug aufweist.
8. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei hintereinanderliegende
Ablenkanordnungen vorgesehen sind, die jeweils durch eine zwischen Prismen bzw. Prisrcenketten
liegende akustooptische Ablenkzelle gebildet sind und daß die Ablenkebenen der Ablenkanordnungen
miteinander einen Winkel zwischen 0 und -^-bilden.
9. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis
8, gekennzeichnet durch zusätzliche erste und zweite anamorphotische Vorrichtungen, die ein afokales
optisches System bilden, in dessen Innerem die anmorphotischen Vorrichtungen und die Ablenkzelle
angeordnet sind
10. Ablenksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen ersten und
zweiten anamorphotischen Vorrichtungen jeweils durch eine von zwei zylindrischen Sammellinsen
gebildet sind, die eine gemeinsame Brennlinie haben, und daß die Ablenkzelle entlang der Brennlinie
angeordnet ist.
11. Ablenksystem nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die zusätzlichen anamorphotischen Vorrichtungen den anamorphotischen Vorrichtungen
gleich sind, die den Ablenkzellen zugeordnet sind.
12. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkzelle einen prismatischen Stab enthält, der wenigstens
einen elektromechanischen Wandler an einem seiner Enden trägt.
13. Ablenksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Stabes mehrere
elektromechanische Wandler trägt.
14. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste
anamorphotische optische Vorrichtung durch wenigstens ein Prisma gebildet ist, das zwei senkrecht
zur Ablenkebene der Ablenkzelle angeordnete Schrägflächen hat, und daß die genannte zweite
anamorphotische optische Vorrichtung durch wenigstens ein Prisma gebildet ist, das zwei Schrägfläche
hat, deren gemeinsame Kante parallel zu der Ablenkebene liegt und deren Winkel gleich dem
Winkel90°-©ist.
15. Ablenksystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite
anamorphotische optische Vorrichtung jeweils eine Prismenkette aus Prismen zunehmender Größe
enthält, die eine senkrecht zu den Eintritts- und Austrittsflächen der Prismen stehende Symnmetrieebene
hat, daß die Symmetrieebene der einen Prismenkette parallel zu der Ablenkebene der
Ablenkzelle ist, daß die Symmetrieebene der anderen Prismenkette senkrecht zu der Ablenkebene
der Ablenkzelle angeordnet ist und daß die Prismen der ersten und der zweiten anamorphotischen
optischen Vorrichtung von dem Lichtbündel in der gleichen Reihenfolge zunehmender Größe der
Prismen durchlaufen werden.
16. Ablenksystem nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch ein Projektionsobjektiv, welches
das von der zweiten anamorphotischen optischen Vorrichtung kommende abgelenkte Bündel
empfängt.
17. Ablenksystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionsobjektiv eine
holographische Linse ist
18. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und
eine zweite Ablenkanordnung hintereinander angeordnet sind und jeweils aus einer akusto-optischen
Ablenkzelle bestehen, die zwischen zwei einander gleichen Prismenketten aus Prismen zunehmender
Größe liegt, und daß die Ablenkebenen der beiden AblenLanordnungen miteinander einen Winkel
zwischen 0 und -^- einschließen.
19. Ablenksystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieebene einer der
Prismenketten senkrecht zu den Symmetrieebenen der drei anderen Prismenketten liegt und daß die
Reihenfolge der Größe der Prismen in der einen Prismenkette gegenüber der Reihenfolge der Prismen
in jeder der anderen Prismenketten umgekehrt ist
20. Ablenksystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenketten
einer der Ablenkanordnungen eine gemeinsame Symmetrieebene haben.
21. Ablenksystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet daß die gemeinsame Symmetrieebene parallel zu der Ablenkebene der Ablenkzelle
der entsprechenden Ablenkanordnung liegt.
22. Ablenksystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet daß die gemeinsame Symme'rieebene
senkrecht zu der Ablenkebene der Ablenkzelle der entsprechenden Ablenkanordnung liegt.
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