DE2227367A1

DE2227367A1 - Optische ablenkeinrichtung

Info

Publication number: DE2227367A1
Application number: DE2227367A
Authority: DE
Inventors: Gerald John Maguire; Gordon George Scarrott
Original assignee: Fujitsu Services Ltd
Current assignee: Fujitsu Services Ltd
Priority date: 1971-07-01
Filing date: 1972-06-06
Publication date: 1973-01-18
Also published as: US3801180A; AU4249072A; FR2143933A1; DE2227367B2; GB1365375A; DE2227367C3; AU463610B2; FR2143933B3

Description

International Computers Limited, .

ICL House, Putney, London. S.V. 15, England

Optische Ablenkeinrichtung

Die Erfindung tezieht sich auf optische Ablenkeinrichtungen.

Bei optischen Speichereinrichtungen ist es üblich, einen Zugang zu einer bestimmten Speicherstelle, z.B. in einer Matrix einer jeden Stelle dadurch zu schaffen, daß ein Lichtstrahl auf die gewünschte Stelle gerichtet wird. Hierbei müssen Vorkehrungen getroffen werden, um einen Lichtstrahl über alle Elemente einer Matrix zu bewegen; dabei treten bei den bekannten Methoden bestimmte Schwierigkeiten auf. Man hat früher festgestellt, daß me chanisch «---ο pt is ehe Abtastmethoden eine hohe Winkelauflösung und hohe Winkelabweichungen, aber ziemlich geringe Abtastgeschwindigkeiten ergeben; der letztere Faktor bewirkt, daß für optische Speicher ein rascher Zugriff nicht möglich ist. Des weiteren bleiben sowohl die Winkelauflösung als auch die

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Winkelabweichung niedrig, während höhere Abtastgeschwindigkeiten durch Verwendung elektrisch gesteuerter Doppelbrechungsmethoden erzielt werden können.

Bei mechanisch^n-optischen Ablenkmethoden ergibt sich der Nachteil der geringen Abtastgeschwindigkeit aus der Tatsache, daß verschiedene, optische Elemente, Spiegel, Prismen usw. eine bestimmte Trägheit besitzen, die überwunden werden muß, um das optische Element zu bewegen und einen Eingangsstrahl abzulenken. Versuche zur Lösung dieses Problems haben jedoch Einrichtungen ergeben, bei welchen die Stellungen eines Eingangsstrahles auf beispielsweise einer Vielzahl von reflektierenden Spiegeln dadurch geändert werden.daß die Stellung verändert wird, bei der der Eingangsstrahl auf den Anfangsspiegel der Einrichtung fällt. Eine derartige Einrichtung ist in der britischen Patentschrift 1.087,060 gezeigt, bei der eine Transparenz mit klaren und lichtundurchlässigen Teilen die Ablenkung eines Eingangsstrahles durch einen Satz reflektierender Spiegel bestimmt. Zur Erzeugung von Ausgangssignalen in Abhängigkeit von dem Schema aus klaren und lichtundurchlässigen Teilen der Transparenz werden verschiedene Anzeigemittel vorgesehen.

Gemäß vorliegender Erfindung umfaßt eine Einrichtung ,zur Ablenkung eines Eingangs-Lichtstrahles einen ersten Spiegel, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Linienbildes aus dem Eingangsstrahl auf den. ersten Spiegel, einen zweiten Spiegel, der so angeordnet ist, daß er eine Reflexion des Linienbildes aus dem ersten Spiegel aufnimmt, wobei die Linienbildreflexion auf dem zweiten Spiegel senkrecht zu. dem Linienbild auf dem ersten Spiegel steht, und eine Vorrichtung zum Drehen des zweiten Spiegels um eine Achse parallel zum Linienbild auf dem ersten Spiegel, wodurch das aus dem zweiten Spiegel reflektierte Linienbild abgelenkt wird.

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Nach einem weiteren Merkmal vorliegender Erfindung umfaßt eine Einrichtung zur Ablenkung eines Eingangs-Lichtstrahles einen ersten Satz von sphärischen Spiegeln mit gleichen Krümmungsradien und Krümmungsmittelpunkt£n>die auf einer ersten Linie liegen, einen zweiten Satz zylindrischer Spiegel mit gleichen Krümmungsradien und Krümmungsmittelpunkten, die auf einer zweiten, von der ersten Linie versetzten Linie liegen, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Linienbildes aus dem Eingangsstrahl auf einem der ersten Spiegel, wobei das Linienbild abwechselnd zwischen Spiegeln des ersten und des zweiten Satzes in solcher Weise reflektiert wird, daß das Linienbild auf einem Spiegel senkrecht zum Linienbild steht, das aus einem unmittelbar vorhergehenden und/oder nachfolgenden Spiegel reflektiert wird, und eine Vorrichtung zum Drehen der zweiten Spiegel um eine Linie parallel zu den Linienbildern auf dem ersten Satz von Spiegeln in solcher Weise, daß die Linienbilder aus den zweiten Spiegeln abgelenkt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Ablenken eines Eingangs-Lichtstrahles vorgeschlagen, das darin besteht, daß ein Linienbild auf einem ersten Spiegel aus dem Eingangsstrahl erzeugt wird, daß ein zweiter Spiegel so eingestellt wird, daß er eine Reflexion aus dem ersten Spiegel aufnimmt, wobei das auf den zweiten Spiegel reflektierte Linienbild senkrecht zum Linienbild auf dem ersten Spiegel steht, und daß der zweite Spiegel um eine Achse gedrciht wird, die parallel zum Liriienbild auf dem ersten Spiegel verläuft, damit das Linienbild, das aus dem zweiten Spiegel r.;flf-kticrt wird, abgelenkt wird.

Hcjchstfihend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhano einos Ausführungsbeispieles erläutert.

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Figur 1 zeigt eine .schematische Darstellung einer Strahlablenkeinrichtung, und zwar eine Betriebsstellung, in aer ein Eingangsstrahl eine nicht abgelenkte Stellung einnimmt, und

Figur 2 die einrichtung nach Figur 1, wobei der Strahl eine abgelenkte Stellung einnimmt.

In Fig. 1 ist ein Satz von festangeordneten sphärischen Spiegeln 11, 21, und 31 gezeigt, die gleiche Krümmungsradien und Krümmungsmittelpunkte an den Stellen a, ο und b auf einer Y-Achse besitzen. Die Spiegel 12 und 22 sind so befestigt, daß sie unabhängig voneinander auf einer Achse 15 drehbar sind und gleiche Krümmungsradien mit auf dem Spiegel 21 liegenden Mittelpunkten besitzen. Eine positive sphärische Linse 13 und eine negative zylindrische Linse 14 sind so angeordnet, daß sie einen Eingangs-Lichtstrahl aus einer Lichtquelle zum Spiegel 11 richten. Die Linse 13 hat ihre Brennebene bei S auf dem Spiegel 11. Eine negative zylindrische Linse 24 und eine positive sphärische Linse 2 3 sind so angeordnet, daß sie den aus dem Spiegel 31 reflektierten Strahl aufnehmen. Die Brennebene der Linse 23 liegt auf der Oberfläche des Spiegels 31. Die Achse 15 ist drehbar um die Y-Achse befestigt. Ein Galvanometer 16 mit Eingangsklemmen 17 ist so angeordnet, daß es den Spiegel 12 um die Achse 15 dreht, wenn es durch ein an die Klemmen 12 gelegtes Eingangssignal erregt wird. Die Drehung des Spiegels 12 ist unabhängig von der Drehung des Spiegels 22 um die Achse 15. Ein Galvanometer 26 mit Eingangsklemmen 27 kann den Spiegel relativ zur Achse 15 unabhängig von dem Spiegel 12 drehen. Das Galvanometer 26 wird durch an die Klemmen 27 gelegte Eingangssignale erregt.

In Betrieb wird die Einrichtung zur Ablenkung eines Eingangsstrahles betrachtet, wenn die Einrichtung den Strahl nicht

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ablenkt, d.h. der nicht abgelenkte Zustand herrscht (Fig. l) und wenn der Strahl abgelenkt worden ist, d.h. der abgelenkte Zustand (Fig. 2). Im Falle des nicht abgelenkten Zustandes wird ein Eingangs-Lichtstrahl durch die Linse 13 in die zylindrische Linse 14 geführt, die ein Linienbild 1 parallel zur Y-Achse am Spiegel 11 erzeugt. Der Strahl 1 wird von dem Spiegel

11 zum zylindrischen Spiegel 12 reflektiert. Das Bild am Spiegel

12 ist in einer Richtung längs der X-Achse orientiert. Der Strahl 1 wird dann auf den Spiegel 21 als Linienbild 2 parallel zur Y-Achse reflektiert. Anschließend wird der Strahl 1 aus dem Spiegel 21 auf den Spiegel 22 reflektiert, damit auf dem Spiegel 22 ein längs der X-Achse gerichtetes Linienbild entsteht. Der Spiegel 22 reflektiert den Strahl in den Spiegel 21 zurück als Linienbild 3, das in der Y-Richtung liegt. Das Linienbild 3 wird von dem Spiegel 21 zum Spiegel 12 reflektiert und bildet am Spiegel 12 ein Linienbild, das längs der X-Achse verläuft. Dieses letztere Linienbild wird von dem Spiegel 12 auf den Spiegel 21 als Linienbild 4 reflektiert. Das Linienbild -4 wird in den Spiegel 21 als ein in der X-Richtung verlaufendes Linienbild reflektiert. Das Bild am Spiegel 22 wird dann in den Spiegel 31 reflektiert und erscheint dort als ein Linienbild 5, das in Richtung der "ϊ-Achse verläuft. Schließlich wird das Linienbild 5 von dem Spiegel 31 auf die Linse 24 reflektiert, die eine verkleinernde Kopierlinse ist, die eine Verstärkung von kleiner als eins besitzt und deren . Abstand vom Objekt gleich dem Krümmungsradius des Spiegels 31 ist. Dann wird der Strahl durch die Linse 23 fokussiert und tritt als Ausgangs-Lichtstrahl aus der Linse 2 3 aus.

Um den Kingangs-Lichtstrahl 1 abzulenken, wird ein Eingangssignal den Klemmen 17 des Galvanometers 16 aufgegeben, das seinerseits eine geringe Drehung des zylindrischen Spiegels 12 im Gegenuhrzeigersinn hervorruft» während ein ähnliches Signal

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der Klemme 27 des Galvanometers 26 aufgegeben wird, damiteine geringe Drehung des Spiegels 22 im Uhrzeigersinn erhalten wird.

Das Linienbild 1 am Spiegel 11 bleibt in der gleichen Lage, während die Lage der Linie der Bilder 2,3 und 4 am Spiegel 21 und das Linienbild 5 am Spiegel 31 nach Figur 2 geändert werden. Dies ergibt eine entsprechende Änderung der Richtung des Ausgangsstrahles aus der Linse 2 3. Auf diese Weise^ wird die Einstellung des Ausgangsstrahles durch die Ablenkung des Eingangsstrahles gesteuert. Während eine Drehung des Spiegels 12 im Gegenuhrzeigersinn und eine Drehung des Spiegels 22 im Ohrzeigersinn beschrieben wurden, läßt sich ein ähnliches Ergebnis erzielen, indem die entsprechendenDrehrichtungen der Spiegel 11: und 22 umgekehrt werden.

Durch Reflektieren einer Vielzahl von Linienbildern, die aus einem Eingangsstrahl erhalten werden, hat man festgestellt, daß die Toleranzen der mehrfach reflektierenden Spiegelanordnung erhöht werden. Wenn beispielsweise ein Linienbild auf einen Teil eines Spiegels reflektiert wird, der teilweise verdunkelt ist, z.B. durch Staubpartikel oder andere unerwünschte Fremdkörper auf der Spiegelfläche, wird der größere Teil des Linienbildes wahrscheinlich von dem Spiegel reflektiert. Wenn jedoch ein fiingangsstrahl in Form z.B. eines Lichtpunktes reflektiert wird, kann eine kleine verdunkelte Fläche oder ein entsprechender Punkt auf einer Spiegeloberfläche verhinderr^daßein wesentlicher Teil des Eingangsstrahles reflektiert wird. In diesem FpII treten Schwierigkeiten auf, wenn versucht wird, den Ausgangsstrahl aus der Linse 23 anzuzeigen.

E₁In weiterer und wesentlicher Vorteil der erfinüungsgemäßen Einrichtung ist darin zu sehen, daß ein Linienbild auf einem Spiegel senkrecht zum Linienbild steht, das auf einem unmittelbar

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vorausgehenden oder unmittelbar nachfolgendem Spiegel erscheint. Wie die Figur 1 zeigt, liegen die Linienbilder 1 - 5 an den Spiegeln 11, 21.und 31 in Richtung der X-Achse, während die Linienbilder auf den Spiegeln 12 und 22 in Längsrichtung der Y-üchse liegen,, In der Praxis ist es schwierig, kleine drehbare Spiegel 12 und 22 vorzusehen, die nur um eine (x-) Achse rotieren. Es ist unvermeidlich, daß eine gewisse unbeabsichtigte Rotation um eine andere (X-) Achse auftritt. Durch Erzeugung von Linienbildern auf den Spiegeln' 12 und 22 längs der X-Achse ist jede unbeabsichtigte Drehung der Spiegel 12 und 22 um die X-Achse ohne Einfluß auf den abgelenkten Strahl aus den Spiegeln 12 und 22. Damit lassen sich unbeabsichtigte Ablenkungen eliminieren»

Die kleinen zylindrischen Spiegel 12 und 22 sind so nahe wie möglich beieinander in Richtung der Y-Achse angeordnet, damit außerhalb der Achse liegende Aberrationen aus den sphärischen Spiegeln 11, 21 und 31 reduziert werden. Während die Anordnung nach den Figuren 1 und 2 längs der x-Achse aus Gründen der einfachen Darstellung erweitert worden ist, können Spiegel 12 und 22 so angeordnet werden, daß die Mittelpunkte um 3cm oder weniger voneinander getrennt sind. Auch sind die zylindrischen Spiegel 12 und 22 sphärische Spiegel, haben jedoch eine Länge, die erheblich größer als die Breite ist, und wirken im wesentlichen als zylindrische Spiegel. Es ist jedoch jeder in geeigneter Weise ausgebildete zylindrische. Spiegel ausreichend, der die gewünschten optischen Eigenschaften niedriger sphärischer Aberration, hoher optischer Flachheit und dergleichen besitzt. Sphärische Spiegel 11, 21 und 23 können aus mit Aluminium überzogenen Spiegeln einer optischen Qualität b'-Gtehcin, die so gewählt ist,, daß sphärische Aberrationen kleiner rAna als 1/4 Wellenlänge des üingangsstrahles. Diese

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Forderung für eine Spiegelqualität ist richtig,damit gewährleistet ist, daß alle Punkte eines reflektierten Bildes den Brennpunkt eines bestimmten Spiegels zur gleichen Zeit erreichen.

Vorstehend wurde eine Anordnung aus positiven sphärischen Linsen 14 und 24 und negativen zylindrischen Linsen 13 und 23 als Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines Linienbildes aus einem Eingangsstrahl und zur Erzeugung eines Ausgangsstrahles aus einem Linienbild beschrieben, es können jedoch auch andere geeignete optische Anordnungen verwendet werden. Des weiteren ist zwar ein Galvanometer 16 als Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehung der Spiegel 12 und 22 beschrieben worden, es können jedoch entsprechende andere mechanische oder elektro-mechanische Vorrichtungen hierfür verwendet werden. Beispielsweise können getrennte Spulen um jeden der zylindrischen Spiegel 12 und 22 herum angeordnet sein.

Der Eingangsstrahl kann ein Laserstrahl sein oder er kann durch eine herkömmliche Lichtquelle erzeugt worden sein. In letzterem Fall jedoch muß der Strahl sorgfältig erzeugt werden, da ein stark konzentrierter Lichtstrahl erforderlich ist. Während die Mehrfach-ßeflektiertecbnik nach vorliegender Erfindung auf einen optischen Massenspeicher anwendbar ist, kann die Technik auch verwendet werden, wenn eine rasche Ablenkung eines Lichtstrahles erforderlich ist.

Während schließlich die Figuren 1 und 2 eine Anordnung zeigen, die aus drei starr angeordneten sphärischen Spiegeln 11, 21 und 31 und zwei drehbaren zylindrischen Spiegeln 12 und 22 besteht.y können andererseits auch soviele Spiegel verwendet werden, wie erforderlich ist, um eine bestimmte Winkelabweichung zu erhalten. Die Gesamtwinkelablenkung (U) des Eingangsstrahles

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kann wie folgt bestimmt werden:

U = 2 N u

wobei u = Drehwinkel eines der drehbaren Spiegel 12 oder 22 usw.

N = gesamte Anzahl von Reflexionen auf den drehbaren-Spiegeini2 und 22, usw.

Mit vorliegender Erfindung ist es möglich, eine hohe Winkelauflösung wie auch hohe Zugriffsgeschwindigkeiten dadurch zu erzielen, daß ein Eingangsstrahl bei einer Anordnung von Mehrfach-Reflexionsspiegeln abgelenkt wird. Die Einrichtung besteht aus einem ersten Satz von starr angeordneten sphärischen Spiegeln und einem zweiten Satz von kleineren, drehbaren Spiegeln. Ein Eingangsstrahl, "der als Linienbild ausgebildet ist, wird dann durch Steuerung der Drehung des zweiten Satzes von Spiegeln abgelenkt. Dadurch, daß die Spiegel des zweiten Satzes eine geringe Trägheit besitzen, können die Eingangsstrahlen rasch abgelenkt werden, was wiederum ermöglicht, daß ein rascher Zugriff für beispielsweise einen optischen Massenspeicher erzielt wird.

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Claims

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Patentansprüche;

Cl) Ej

[Iy Einrichtung zum Ablenken eines Eingangs-Lichtstrahles, gekennzeichnet- durch einen ersten Spiegel (11), eine Vorrichtung (13, 14) zur Erzeugung eines Linienbildes (1) aus dem Eingangsstrahl (I) auf den ersten Spiegel (11), einen zweiten Spiegel (12), der so angeordnet ist, daß er eine Reflexion des Linienbildes (1) aus dem ersten Spiegel (11) aufnimmt, wobei die Linienbildreflexion auf den zweiten Spiegel (12) senkrecht zum Linienbild (1) auf de.m ersten Spiegel (11) ist, und durch eine Vorrichtung (15,16,17) zum Drehen des zweiten Spiegels (12) um eine Achse (Y) parallel zu dem Linienbild (1) auf dem ersten Spiegel (11), wodurch das aus dem zweiten Spiegel (12) reflektierte Linienbild abgelenkt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite Spiegel (12) Teil eines sphärischen Spiegels ist, dessen Verhältnis von Länge zu Breite so gewählt ist, daß der Spiegel als zylindrischer Spiegel wirkt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (15,16,17) eine elektromechanische Vorrichtung (16) aufweist, die den zugeordneten zweiten Spiegel (12) um einen Winkel verdrehen kann, dessen Größe auf die Größe eines Eingangssignales bezogen ist, das zur Betätigung der elektromechanischen Vorrichtung dient.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Satz von sphärischen Spiegeln (11,21,31) mit gleichen Krümmungsradien und Krümmungsmittelpunkten (a, c,b) die auf einer ersten Linie (17) liegen, einem zweiten Satz von zylindrischen Spiegeln (12, 22) mit gleichen Krümmungsradien

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und Krümmungsmittelpunkten, die auf einer zweiten Linie (P-Q) liegen, welche von der ersten Linie (Y) in Abstand angeordnet ist, und durch abwechselnde Reflexion des Linienbildes zwischen Spiegeln des ersten und des zweiten Satzes in solcher Weise, daß das Linienbild auf einem Spiegel senkrecht zum Linienbild steht, das von einem unmittelbar vorausgehenden oder nachfolgenden Spiegel reflektiert wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite Spiegel (12,22) Teil eines sphärischen Spiegels ist, der ein solches Verhältnis von Länge zu Breite aufweist, daß der Spiegel als zylindrischer Spiegel wirkt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite Spiegel (12, 22) durch eine zugeordnete elektromechanische Vorrichtung (16,17; 26,27) drehbar ist, die den zugeordneten zweiten Spiegel (12, 22) um einen Winkel drehen kann, der auf die Größe eines Eingangssignales bezogen ist, das zur Betätigung der elektromechanischen Vorrichtung dient.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Zweiten Spiegel (12, 22) um unterschiedliche Winkelausschläge gedreht werden, wobei die gesamte Ablenkung des Lichts'trahles (I) verstärkt wird.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (16, 26) zur Drehung der zweiten Spiegel (12, 22) so ausgelegt ist, daß aufeinanderfolgende zweite Spiegel in entgegengesetzten Richtungen gedreht werden.
9. Verfahren zum Ablenken eines Eingangs-Lichtstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linienbild (1) auf einem ersten Spiegel (11) aus dem Eingangsstrahl (I) erzeugt wird, daß

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ein zweiter Spiegel (12) so eingestellt wird, daß er
eine Reflexion aus dem ersten Spiegel (11) aufnimmt, wobei das auf den zweiten Spiegel (12) reflektierte Linienbild
senkrecht zum Linienbild auf dem ersten Spiegel steht,
und daß der zweite Spiegel um eine Achse gedreht wird, die parallel zum Linienbild auf dem ersten Spiegel verläuft, damit das Linienbild, das aus dem zweiten Spiegel reflektiert wird, abgelenkt wird.

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