DE2227367C3 - Lichtablenkeinrichtung mit zwei drehbaren Spiegeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Lichtablenkvorrichtungen mit zwei drehbaren Spiegeln und einem zwischengeschaltcten, stationären, jeweils gekrümmten Spiegel zur Mehrfachreflexion zwecks Vergrößerung des Strahlablenkwinkels.

Bei optischen Speichereinrichtungen ist es üblich, einen Zugang zu einer bestimmten Speicherstelle, /.. 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 mcchanisch-opiische Abtastmethoden eine hohe Winkelaiiflösung 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 Winkclauflösung als auch die Winkelabweichung niedrig, während höhere Abtastgeschwindigkeiten durch Verwendung elektrisch gesteuerter Doppclbre-

chungsmethoden erzielt werden können.

Bei mechanisch-optischen Ablenkmethoden ergibt sich der Nachteil der geringen Abtastgeschwindigkeit daraus, daß optische Elemente wie Spiegel, Prismen usw. eine bestimmte Trägheit besitzen, die überwunden werden muß, um das optische Element zu bewegen und einen Eingangsstrahl abzulenken. Versuche zur Lösungdieses Problems haben jedoch Einrichtungen ergeben, bei welchen die Stellungen eines Eingangsstrahls 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 weist eine optische Einrichtung zur Erzielung von Mehrfachbildern aus einem eingegebenen BiIJ auf, das eine Gruppe von Datenelementen, welche auf einem ΛΎ-Koordinatensystem angeordnet sind, durch wiederholte Reflexe zwischen den Spiegeln aufnimmt. Die Spiegel ermöglichen, daß ein geringerTeil des Lichtes durchgelassen und der größere Teil (etwa 99%) reflektiert wird. Das von den Spiegeln durchgelassene Licht ergibt die Mehrfachbilder, die in Größe und Form identisch sind, und w^;rd durch Linsen auf eine gemeinsame Bildebene fokussiert. In der gemeinsamen Bildebene sind eine Vielzahl von Masken angeordnet, deren jede einem bestimmten Bild zugeordnet ist; jede Maske besitzt einen transparenten Teil (oder Teile), der den Durchgang von Licht nur durch den transparenten Teil (oder Teile) ermöglicht. Jeder transparente Teil wirkt aisein Gatter für ein Datenelement indem Bild, welchem es zugeordnet ist. Das durch die Masken gelangende Licht wird durch eine Fotodetektoreinrichtung angezeigt.

Eine derartige Einrichtung ist eine statische Einrichtung, die die gleichzeitige Erzielung einer großen Anzahl von identischen Bildern ergibt; als Folge davon wird das für die Erzeugung der Bilder zur Verfügung siehende Licht fortlaufend geschwächt, so daß tlie relativen Signalwerte, die an den AnzeigeanordiHingcn zur Verfügung stehen, allmählich reduziert werden müssen. Auch ist im Falle dieser bekannten Einrichtung eine Vielzahl von Masken erforderlich, deren jede sehr genau positioniert sein muß. Schließlich muß auch die Genauigkeit der Positionierung der Maske dauernd aufrechterhalten werden, weil sonst das Maskengatter nicht exakt in bezug auf ein bestimmtes Gatterclement positioniert ist, um das Licht aufzunehmen und durchzulassen. Berücksichtigt man, daß die an den Masken vorgesehenen Gatter eine sehr geringe Querschnittsfläehc haben, ist klar, daß jeder Flecken, jedes Schmutzteil oder jede Verunreinigung der Maskenoberfläche das durchgelassene Licht auf Werte reduzieren kann, bei denen die Ansprecheinrichtung nicht mehr anspricht, so daß Datenelemente im Ausgang verlorengehen können. Dies trifft analog auf die Lichtdurchlaßbcdingungen der Spiegel zu, da das einwandfreie Arbeiten der Einrichtung von der Fähigkeit der Spiegel abhängt, 1 % des auffallenden Lichtes durchzulassen und 99% zu reflektieren.

Des weiteren sind Lichtablenkvorrichtungen der gattungsgemäßen Art bekannt, die eine Einrichtung zum Vervielfachen des Einfallswinkels eines Lichtstrahls durch Verwendung von Mchrfachrcflcxioncn ■wischen den Spiegeln betrifft. Hierbei ist beachsichiigt, den beobachteten Einfallswinkel eines Lichtstrahls in einer ersten Ebene dadurch zu vergrößern, daß der Lichtstrahl mehrfachen Reflexionen in einer

Ebene senkrecht zur Ebene des beobachteten Winkels ausgesetzt wird. Die Einrichtung weist zwei kleine reflektierende Flächen an den konjugierten Brennpunkten eines kugelförmigen Konkavspiegels auf. Die Oberfläche der reflektierenden Fläche wirkt als Eingangsspiegel für einen gebündelten Lichtstrahl aus einer Lichtquelle. Die Winkelbeziehungen bzw. Einstellungen der Spiegel ergeben eine Linie von Bildpunkten, die am Konkavspiegel erzeugt werden. Diese Linie erstreckt sich über die Breite des Konkavspiegels, der einen transparenten Schlitz aufweist. Bei einer derartigen bekannten Einrichtung kann das Bild der Zeile von Bildern, das auf den Konkavspiegel an der Schlitzstelle auftrifft, durch den Schlitz gelangen. Um die gewünschte Einstellung des Strahls zu erzielen, wird mindestens einer der Spiegel zusätzlich um ejne Achse gekippt, die senkrecht zu der optischen Achse des Konkavspiegels und der Achse, um die die Spiegel gekippt werden, damit die Erzeugung der Mehrfachbilder erreicht wird, verläuft. Der Endwinkel des reflektierten Lichtstrahls in bezug auf die Anfangsrichtung wird auf die relative Winkeleinstellung der beiden Spiegel bezogen.

Bei dieser bekannten Einrichtung besteht der Nachteil, daß bei punktförmigen Reflexionsstellen schon eine leichte Beeinträchtigung der Reflexionsfähigkeit zu einem erheblichen Intensitätsverlust führt.

Aufgabe der Erfindung ist es gegenüber diesen bekannten Einrichtungen, anstatt der punktförmigen Reflexionsstellen linienförmige Reflexionsbereichc zu erzeugen, um den bei punktförmigen Reflexionsstellen auftretenden erheblichen Intensitatsverlust im Falle leichter Beeinträchtigung der Rcflexionsfähigkeit weitgehend auszuschalten.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß ein keilförmiger Eingangsstrahl auf der ersten Reflexionsfläche einen Lichtstrich bildet, diese erste Rcflcxionsfläche und gegebenenfalls weitere ortsfeste Reflexionsflächen in Lichtstrichlängsrichtung derart gekrümmt sind, daß auf der nächsten, drehbaren Reflexionsflächc ein um °()° gedrehter Lichtstrahl entsteht, und die genannte erste Reflcxionsflächc in Lichtsirichqucrrichtung derart gekrümmt ist, daß der Krümmungsmittelpunkt auf der Achse des drehbaren Spiegels liegt, der drehbare Spiegel und evtl. weitere derartige gleichachsige drehbare Spiegel in Lichtstrichlängsrichtimg derart gekrümmt sind, daß auf dem nachfolgenden ortsfesten Spiegel wiederum ein horizontaler Lichtstrich entsteht, und der Ausgangsstrahl in entgegengesetzter Laufrichtung optische Elemente durchsetzt, die den keilförmig divergierenden Strahl wieder zusammenfassen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Untcranspriichc.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird erreicht, daß ein Lichtstrahl durch eine Kombination von ortsfesten und drehbaren Spiegeln abgelenkt wird, die solche charakteristischen Eigenschaften haben, daß sie Linien- bzw. Strichbilder ergeben und so angeordnet sind, daß Bilder ;m aufeinanderfolgenden Spiegeln der Einrichtui.gbcnkrccht aufeinanderstellen. Des weiteren wird mit vorliegender Erfindung eine Lichtstrahlsteuereinrichtung erzielt, die zur Bewegung eines Lichtpunktes verwendet werden kann, um optische Spcichcrcinrichtungcn ah/utaslen, wobei einzelne Stcueranordnungen verwendet werden, beispielsweise um entsprechende Eingänge an Drchmeßiicräte zu erzielen.

Durch Reflektieren einer Vielzahl von Strichbildern, die aus einem .Eingangsstrahl erhalten werden, lassen sich die Toleranzen der mehrfach-reflektierenden Spiegelanordnung erhöhen. Wenn beispielsweise ein Strichbild 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 Strichbildes von dem Spiegel reflektiert. Wenn jedoch ein Ein-

!(i gangsstrahl in Form z. B. eines Lichtpunktes reflektiert wird, kann eine kleine verdunkelte Fläche oder ein entsprechender Punkt auf einer Spiegeloberfläche verhindern, daß ein wesentlicher Teil des Eingangsstrahls reflektiert wird.

Ii Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist darin zu sehen, daß ein Strichbild auf einem Spiegel senkrecht zu einem Strichbild steht, das auf einem unmittelbar vorausgehenden oder unmittelbar nachfolgenden Spiegel erscheint. In der Praxis

2(i ist es schwierig, kleine drehbare Spiegel herzustellen, die nur um eine Achse rotieren. Es ist unvermeidlich, daß eine gewisse unbeabsichtigte Rotation um eine andere Achse auftritt. Durch Erzeugung von Strichbildern auf den drehbaren Spiegeln ist jede unbeab-

.'■"> sichtigte Drehung der Spiegel um die Drehachse ohne Einfluß auf den abgelenkten Strahl aus den Spicgeh:. Damit lassen sich unbeabsichtigte Ablenkungen eliminieren.

Schließlich wird mit vorliegender Erfindung eγιο reicht, daß eine hohe Winkelauflösung und eine hohe Zugriffsgeschwindigkeit erzielt wird, indem ein Eingangsstrahl bei einer Anordnung von Mehrfach-Reflexionsspiegeln abgelenkt wird. Dadurch, daß die drehbaren Spiegel abgelenkt werden, was wiederum

i'. ermöglicht, daß ein rascher Zugriff, beispielsweise für einen optischen Massenspeicher, erzielt wird.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsheispicls erläutert. Es zeigt

■to Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lichtablenkvorrichtung, und zwar in einer Betriebsstellung, in der ein Eingangsstrahl eine nichtabgelenktc Stellung einnimmt, und

Fig. 2 die Lichtablenkvorrichtung nach Fig. 1 in

ι. einer Betriebsstellung, in der der Strahl eine abgelenkte Stellung einnimmt.

Die Lichtablenkvorrichtung nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt eine Lichtquelle L, eine konvexe sphärische Linse 13 und

ή eine konkave, sphärische Linse 14 in deren Strahlengang, ortsfeste sphärische Spiegel 11, 21, 31, die gleiche Krümmungsradien und Krümmungsmittelpunkte an den Stellen α, υ und b auf der K-Achsc eines gedachten ΛΎΖ-Koordmatcnsystems besitzen,

">> drehbare Spiegel 12, 22, die unabhängig voneinander auf einer gemeinsamen Achse 15 angeordnet sind und gleiche Krümmungsradien mit auf dem Spiegel 21 liegenden Kriimmungsmittelpunkten besitzen, Galvanometer 16 und 26 mit Eingangsklcmmen 17 und 27,

Wi die bei Ausschlag eine Verdrehung der Achse 15 ergeben, wobei die auf der Achse 15 angeordneten Spiegel 12, 22 unabhängig voneinander verdrehbar sind, und am austrittsseitigen Ende des Lichtsstrahlenganges eine konkave sphärische Linse 24 und eine

■ · konvexe sphärische Linse 23.

Aus der Lichtquelle L wird der keilförmige IUngangsstrahl / durch die konvexe Linse 13, deren Brennebene Sauf dem Sniot'cl Il lirm und !lnsr-hlic-

ßcnd durch die konkave Linse 14 auf cine erste Reflcxionsfläche in Form des ortsfesten Spiegels 11 gerichtet und dort als (waagerechter) Lichtstrich 1 abgebildet. Der Krümmungsradius des Spiegels 11 ist so gewählt, daß der Krümmungsmittelpunkt mit der Achse der Welle 15 zusammenfällt. Auf der Welle 15 ist eine drehbare Reflexionsfläche in Form des beweglichen Spiegels 12 angeordnet, auf der ein um 90° gegenüber dem Lichtstrich gedrehter (vertikaler) Lichtstrich entsteht. Ein Galvanometer 16 mit Anschlüssen 17 ist so angeordnet, daß es den Spiegel 12 um die Achse 15 dreht, wenn ein Eingangssignal an die Klemmen 17 gelegt wird.

Der Spiegel 12 ist in Lichtstrichlängsrichtung so gekrümmt, daß auf dem nachfolgenden ortsfesten Spiegel 21 wiederum ein horizontaler Lichtstrich 2 entsteht; der ortsfeste Spiegel 21 hat den gleichen Krümmungsradius und Krümmungsmittelpunkt auf der Achse der Welle 15 (Y-Achse) wie der Spiegel 11. Anschließend wird der Lichtstrahl / von dem Spiegel 21 auf den drehbaren Spiegel 22 reflektiert, auf dem ein längs der X-Achse gerichtetes Strichbild entsteht. Der Spiegel 22 reflektiert den Strahl auf den Spiegel 21 zurück als Strichbild 3, das in der Y-Richtung liegt. Das Strichbild 3 wird von dem Spiegel 21 auf den Spiegel 12 reflektiert und bildet dort ein Strichbild, das längs der X-Achse verläuft. Dieses Strichbild wird von dem Spiegel 12 auf den Spiegel 21 als Strichbild 4 reflektiert. Das Strichbild 4 wird in den Spiegel 22 als ein in X-Richtung verlaufendes Strichbild reflektiert. Das Bild am Spiegel 22 wird dann auf den Spiegel 31 reflektiert und erscheint dort als Strichbild 5, das in Richtung der y-Achse verläuft. Schließlich wird das Strichbild 5 von dem Spiegel 31 auf die Linse 24 reflektiert, die eine Verkleinerungslinse mit einer Vergrößerung < 1 ist und deren Abstand vom Objekt gleich dem Krümmungsradius des Spiegels 31 ist. Der keilförmig divergierende Strahl wird durch die Linse 23 fokussiert und tritt als Ausgangsstrahl aus der Linse 23 aus.

Um den Eingangsstrahl / abzulenken, wird ein Eingangssignal an die Klemmen 17 des Galvanometers 16 gegeben, das seinerseits eine geringe Drehung des Spiegels 12 im Gegenuhrzeigersinn hervorruft; ein ähnliches Signal wird der Klemme 27 des Galvanometers 26 aufgegeben, um eine geringe Drehung des Spiegels 22 im Uhrzeigersinn zu erhalten.

Das Strichbild 1 am Spiegel 11 bleibt in der gleichen Lage, während die Lage des Striches der Bilder 2, 3 und 4 am Spiegel 21 und das Strichbild 5 am Spiegel 31 nach Fig. 2 geändert werden. Dies ergibt eine entsprechende Änderung der Richtung des Ausgangsstrahls aus der Linse 23. Auf diese Weise wird die Einstellung des Ausgangsstrahls durch die Ablenkung des Eingangsstrahls gesteuert. Die Drehrichtungen der Spiegel 12 und 22 können auch umgekehrt gewählt werden.

Die Strichbilder 1-5 an den Spiegeln 11, 21 und 31 verlaufen in der .Y-Achse, während die Strichbilder an den Spiegeln 12 und 22 in der Y-Achse liegen. In der Praxis ist es schwierig, kleine drehbare Spiegel 12 und 22 so anzuordnen, daß sie nur um eine Achse (z. B. die Y-Achse) drehen. Es ist unvermeidlich, daß eine gewisse unbeabsichtigte Drehung um eine andere Achse (z. B. die X-Achse) auftritt. Durch Erzeugung

von Strichbildern auf den Spiegeln 12 und 22 in dei 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. Damil lassen sich unbeabsichtigte Ablenkungen eliminieren

Die Spiegel 12 und 22 sind so nahe wie möglicl· beieinander in der y-Achse angeordnet, damit außerhalb der Achse liegende Aberrationen aus den Spiegeln 11, 21 und 31 reduziert werden. Während die Anordnung nach den Fig. 1 und 2 längs der y-Achse aus Gründen der einfachen Darstellung verbreiten dargestellt ist, können die Spiegel 12 und 22 so angeordnet werden, daß ihre Mittelpunkte um 3 cm oder weniger voneinander getrennt sind. Auch sind die Spiegel 12 und 22 sphärische Spiegel, deren Länge erheblich größer ist als die Breite, und sie wirken im wesentlichen als zylindrische Spiegel. Es ist jedoch jeder in geeigneter Weise ausgebildete zylindrische Spiegel ausreichend, der die gewünschten optischen Eigenschaften geringer sphärischer Aberration, hoher optischer Flachheit u. dgl. besitzt. Sphärische Spiegel 11, 21 und 23 können aus mit Aluminium überzogenen Spiegeln einer optischen Qualität bestehen, die so gewählt ist, daß sphärische Aberrationen kleiner sind als ein Viertel Wellenlänge des Eingangsstrahls. Diese Forderung nach hoher Spiegelqualität gewährleistet, daß alle Punkte eines reflektierten Bildes den Brennpunkt eines bestimmten Spiegels zur gleichen Zeit erreichen.

Vorstehend wurde eine Anordnung aus konkaven sphärischen Linsen 14, 24 und konvexen sphärischen Linsen 13,23 als Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines Linienbildes aus einem Eingangsstrahl und zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls aus einem Strichbild beschrieben; es können jedoch auch andere optische Anordnungen verwendet werden. Des weiteren ist ein Galvanometer 16 als Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehung der Spiegel 12 und 22 beschrieben worden, es können jedoch entsprechende andere mechanische oder elektromechanische Vorrichtungen hierfür verwendet werden; z. B. können getrennte Spulen um jeden der sphärischen Spiegel 12 und 22 herum angeordnet sein.

Der Eingangsstrahl kann ein Laserstrahl sein, oder er kann durch eine herkömmliche Lichtquelle erzeugt worden sein, wobei ein stark konzentrierter Lichtstrahl erforderlich ist. Die Mehrfachreflexionstechnik nach vorliegender Erfindung ist auf optische Massenspeicher anwendbar, kann aber auch angewendet werden, wenn eine rasche Ablenkung eines Lichtstrahls erforderlich ist.

Während die Fig. 1 und 2 eine Anordnung zeigen, die aus drei starr angeordneten sphärischen Spiegeln 11,21 und 31 sowie zwei drehbaren sphärischen Spiegeln 12 und 22 besteht, können auch so viele Spiegel verwendet werden, wie erforderlich sind, um eine bestimmte Winkelablenkung zu erhalten. Die gesamte Winkelablenkung (U) des Eingangsstrahls kann wie folgt bestimmt werden:

U = 2 N u

wobei μ = Drehwinkel eines der drehbaren Spiegel

12 oder 22 usw.

N = gesamte Anzahl von Reflexionen auf den drehbaren Spiegeln 12 und 22 usw.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Lichtablenkvorrichtung mit zwei drehbaren Spiegeln und einem zwischengeschalteten, stationären, jeweils gekrümmten Spiegel zur Mehrfachreflexion zwecks Vergrößerung des Strahlablenkwinkels, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein keilförmiger Eingangsstrahl (/) auf der ersten Reflexionsfläche (11) einen Lichtstrich (1) bildet,

b) diese erste Reflexionsfläche (11) und gegebenenfalls weitere ortsfeste Reflexionsflächen (21, 31) in Lichtstrichlängsrichtung derart gekrümmt sind, daß auf der nächsten, drehbaren Reflexionsfläche (12; 22) ein um 90° gedrehter Lichtstrich entsteht, und die genannte erste Reflexionsfläche (11) in Lichtstrichquerrichtung derart gekrümmt ist, daß der Krümmungsmittelpunkt auf der Achse des drehbaren Spiegels (12, 22) liegt,

c) der drehbare Spiegel (12) und evtl. weitere derartige gleichachsige drehbare Spiegel (22) in Lichtstrichlängsrichtung derart gekrümmt sind, daß auf dem nachfolgenden ortsfesten Spiegel (21) wiederum ein horizontaler Lichtstrich entsteht, und

d) der Ausgangsstrahl in entgegengesetzter Laufrichtung optische Elemente (24, 23) durchsetzt, die den keilförmig divergierenden Strahl wieder zusammenfassen.

2. Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Spiegel (12) bzw. die drehbaren Spiegel (12; 22) als Zylinderspiegel ausgebildet ist bzw. sind.

3. Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Drehvorrichtung (16, 26) zur Drehung der drehbaren Spiegel (12, 22) so ausgelegt ist, daß aufeinanderfolgende drehbare Spiegel relativ zueinander verdreht werden können.