DE2227609A1

DE2227609A1 - Vorrichtung zur lenkung eines lichtstrahles

Info

Publication number: DE2227609A1
Application number: DE2227609A
Authority: DE
Inventors: Graham Stewart Brandon Street
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-06-09
Filing date: 1972-06-07
Publication date: 1973-01-04
Also published as: GB1394570A; US3799644A

Description

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Herr Graham Stewart·. Brandon .STREET, Cambridge, England

Vorrichtung zur Lenkung eines Lichtstrahles

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lenkung eines Lichtstrahles, welche zwei elektrisch angetriebene, winkelverstellbare Lenkspiegel zur Ablenkung des Lichtstrahles in unterschiedliche Richtungen in zwei-unter einem Winkel zueinander verlaufenden Ebenen aufweist·

Üblicherweise verwenden derartige Geräte Spiegel, die um zueinander senkrecht stehende Achsen verschwenkbar sind, um den Strahl in zueinander senkrechten Richtungen abzulenken. Um hohe Geschwindigkeiten erreichen zu können, werden kleine Spiegel, die üblicherweise mehrere Flächen besitzen, kontinuierlich in Drehung versetzt. Diese bekannten Geräte entsprechen jedoch dann den Erfordernissen nicht, wenn es darum geht, einen Strahl rasch in

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Abhängigkeit von Signalen, die zu jedem Zeitpunkt ankommen können, in eine neue Stellung zu lenken. Zu· diesem Zweck ist es erforderlich, einen sehr kleinen Spiegel mit geringer Trägheit zu verwenden, um die gewünschte Ansprechgeschwindigkeit und jederzeitige Zugänglichkeit zu erreichen.

Um dies zu gewährleisten, wird nach der Erfindung eine Vorrichtung zur Lenkung eines lichtstrahls vorgeschlagen, welche erste und zweite Lenkspiegel besitzt, die um parallele Achsen winkelverstellbar gelagert sind, so dass sie einen einfallenden Licht-

zu/

strahl in einer gemeinsamen, den Bewegungsachsen senkrechten Ebene ablenken, wobei jeder Lenkspiegel an einem eigenen Lagersystem gehaltert ist, das auch eine in einem Magnetfeld aufgehängte Spule umfasst, wodurch der zugeordnete Spiegel bei Durchgang eines Stromes durch die Spule bewegt werden kann. Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist weiter zwischen den Spiegeln ein optisches System auf, das die Spiegel an konjugierten Punkten aufnimmt und so konstruiert ist, dass die Ablenkebene des Lichtstrahls nach Reflexion durch den ersten Spiegel in eine Ebene gedreht wird, die zur gemeinsamen Ablenkebene der Spiegel geneigt ist.

Die Verwendung zweier aufgehängter Spiegel, die um parallele Achsen beweglich sind, erleichtert den Aufbau eines Systems kleiner Abmessungen mit Spiegeln geringer Trägheit erheblich. Bei

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einem Ausführungsbeispiel werden zwei Spiegel eines Mehrkanal-Ultraviolett-Aufzeichhungsgalvanometers "benutzt. Bei einem solchen Galvanometer mit beweglicher Wicklung, beispielsweise der Type A8000 der Firma S.E. Laboratories, Peltham, Middlesex, England, ist eine Mehrzahl von aufgehängten Systemen zur Ablenkung ultravioletter Strahlen auf ein Aufzeichnungsmedium in Abhängigkeit von getrennten, auf die verschiedenen Wicklungen · gegebenen Eingangssignalen vorgesehen. Die Wicklungen sind in öffnungen eines gemeinsamen Magnetblockes aufgehängt, der das Magnetfeld erzeugt, in dem sich die Wicklungen bewegen. Die

Spiegel sind etwa 1 mm gross und entsprechend leicht. Während ■ die Spiegel normalerweise sämtlich eine Ablenkung der einfallenden Strahlen in der gleichen Ebene bewirken, erzeugt bei Verwendung in einem erfindungsgemässen System ein Spiegel die Ablenkung in der genannten Ebene, während der andere Spiegel eine Ablenkung in einer anderen Ebene hervorruft, die vorzugsweise etwa unter einem rechten Winkel zur ersten Ebene verläuft. Wo die Eingangssignale Ablenkungen in zwei unter einem rechten Winkel zueinanderst'ehenden Ebenen darstellen, kann jede Ungenauigkeit in dem Winkel zwischen den Ablenkebenen, die von der Lenkvorrichtung bzw. Steuervorrichtung festgestellt wird, elektrisch dadurch kompensiert werden, dass Kombinationen der Eingangssignale den beiden Wicklungen bzw. Spulen zugeführt werden. Das optische System kann justierbar ausgebildet werden, so dass es möglich ist, den Winkel zwischen den Ablenkebenen den Erfordernissen

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entsprechend auszuwählen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung sowie aus den Ansprüchen. Es zeigen:

Figur 1 schematisch in perspektivischer Ansicht die

aufgehängten Spiegel und deren Antriebssystem für eine Lichtstrahl-Lenkvorriohtung gemäss der Erfindung?

Figur 2A in Draufsicht und

Figur 2B in Ansicht die Spiegel mit dem zugeordneten

optischen System bei einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung und

Figur 3A in Draufsicht und

Figur 3B 'in Ansicht die Spiegel und das zugeordnete, optische System eines zweiten Ausführungsbeiepiels.

In Figur 1 sind die wesentlichen, arbeitenden Seile eines Zweika-

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nal-Galvanometersystems dargestellt, welches zwei Spulen 10 und

11 aufweist, die in Öffnungen eines gemeinsamen Magnetblockes

12 aufgehängt sind, welcher, wie durch die Angabe der Magnetpole angedeutet ist, ein magnetisches PeId quer zur Ebene jeder der Spulen 10 und 11 erzeugt. Die Spulen sind flach und rechtwinkelig. Die Spulen 10 und 11 sind in üblicher Weise mittels entsprechender Torsionsfäden 13 und H aufgehängt, die an ihren unteren Enden an Blöcken 15 bzw. 16 und an ihren oberen Enden an Scheiben 17 und 18 befestigt sind, die mittels Klammern 19 und 20 gehaltert sind. Die Scheiben 17 und 18 erlauben eine Winkel- · Voreinstellung. Es kann auch Vorsorge getroffen sein, dass die · Torsionsfäden 13 und H zum Zweck der ursprünglichen Einstellung verdreht werden können. Die Torsionsfäden 13 und 14 tragen Spiegel 21 bzw. 22. Die Päden 13 und H sind elektrisch leitend und dienen zur Zufuhr des Stromes zu den Spulen 10 und 11. Wie Figur 1 erkennen lässt, ist der laden 13 elektrisch mit den Eingangsanschlüssen 23 und der Paden H mit den Eingangsanschlüssen 24 verbunden. Infolgedessen erzeugen auf die Anschlüsse 23 und 24 gegebene Einzelsignale unterschiedliche entsprechende Winkelverstellungen der Spiegel 10 und 11 um parallele, durch die Aufhängefäden bestimmte Achsen, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. ι

Die Bewegung eines ;jeden der aufgehängten Systeme ist aufgrund der Tatsaohe gedämpft, dass die Spulen 10 und 11 in ein Däm-

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pfungsmedium 25 bzw. 26 eintauchen.

Bei dem speziellen, beschriebenen Ausführungsbeispiel, das auf der Verwendung eines Ultraviolett-Aufzeichnungsgalvanometers des oben genannten Typs A8000 basiert', haben die Spiegel eine

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Fläche von 1 mm und sind nur 0,1 mm dick. Sie sind etwa 4,6 cm weit voneinander entfernt.

In den Figuren 2A und 2B sind die Spiegel 21 und 22 mit M₁ und M₂ bezeichnet. Der abzulenkende Lichtstrahl fällt zuerst auf den Spiegel M₁ unter einem kleinen Einfallswinkel und wird in der gleichen Ebene reflektiert, wobei es sich dabei um die Ebene handelt, die senkrecht zu der durch die Aufhängefäden definierten Bewegungsachse der Spiegel liegt und die Zeichenebene in Figur 2A ist. Jede Bewegung eines der Spiegel infolge des Fliessens eines Stromes durch die zugeordnete Spule erzeugt eine Ablenkung des Lichtstrahles, der auf den Spiegel fällt, welcher ursprünglich in dieser Ebene liegt. Der von dem Spiegel M₁ reflektierte Lichtstrahl gelangt über eine Linse L₁ und ein 45°- Prisma P₁ zu einem Dove-Prisma P₂ und von hier über ein weiteres 45°-Prisma P^ und eine Linse Lp zum Spiegel M₂-DXe Prismen P₁ und P, dienen lediglich als Reflektoren, um den Lichtstrahl von einem Spiegel zum anderen durch das Dove-Prisma P₂ zu leiten. Letzteres dient in wohlbekannter Weise zur Drehung des Lichtstrahles mittels einer inneren Reflexion an seiner Unterseite.

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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Unterseite "bzw. untere !Fläche des Dove-Prismas um einen Winkel von 45° aus den Ebenen der Piguren 2A, und 2B herausgedreht, was zu einer 90°- Drehung des das Prisma durchlaufenden Lichtstrahles führt. Infolgedessen wird, während die Ablenkung des Lichtstrahls durch den Spiegel M₁ ursprünglich in der Ebene der Figur 2A stattfindet, der Lichtstrahl nach Passieren des Dove-Prismas Pg in der Ebene der Figur 2B abgelenkt werden, d.h. in einer Ebene parallel zu den Aufhängedrähten 13 und H der Spiegel M₁ und M₂. Der Lichtstrahl gelangt dann zum Spiegel M₂* der eine Ablenkung in der Ebene senkrecht zu der sich aus der Bewegung des Spiegels M₁ und Drehung durch das Prisma Pg ergebenden Ebene erzeugt.

Die Linsen L₁ und Lg haben die Aufgabe, den einfallenden Strahl auf einen Zwischen-Brennpunkt nahe der reflektierenden Oberfläche der Basis des Prismas P₂ zu bringen. Sie sind auch so angeordnet, dass die Spiegel M₁ und Mg an konjugierten Punkten des optischen Systems gelegen sind, d.h. dass jeder der Spiegel jeweils durch die Linsen auf den anderen abgebildet wird. Der Aufbau des optischen Systems ist symmetrisch, wobei das Prisma Pg zwischen der Linse L₁ und dem Prisma P₁ auf der einen Seite und der Linse Lg und dem Prisma P^ auf der anderen Seifte liegt. Die Linsen L₁ und L₂ haben gleiche Brennweiten f und sind in dieser Entfernung von den Spiegeln M₁ bzw·; M₂ angeordnet. Die optische Entfernung zwischen den Linsen L₁ und Lg beträgt 2f.

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Bei dem in den Figuren 3A und 3B gezeigten Ausfuhrungabeiöpiel sind die Spiegel M₁ und M₂ wie oben in einer Entfernung von etwa 4,5 cm angeordnet. Die Drehung der Ablenkebene wird in diesem Falle durch zwei 45°-Prismen P, und Pr- bewirkt und ein

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drittes 45°-Prisma Pg dient als einfacher Reflektor zur Ausrichtung des lichtstrahls. Eine linse 1- ist dem Spiegel M₁ vorgesetzt. Eine linse 1, ist zwischen dem Prisma Pg und den Prismen P. und Ρ,- angeordnet« Die linse 1- besitzt eine Brennweite f, die bei diesem Ausführungsbeispiel 2,1 cm beträgt. Die Brennweite der linse 1, ist 2f. Der Abstand zwischen I₁ und M₁ ist f,· der Abstand zwischen M₁ und Pg ist ebenfalls f, so dass der lichtstrahl zu einem Zwischen-Brennpunkt nahe der reflektierenden Oberfläche des Prismas Pg gebracht wird.

Die Entfernung zwischen dem Prisma Pg und der linse 1, ist f, die optische Entfernung von der linse 1. zum Spiegel M₂ 1st 2f, wobei die Weglänge durch die Prismen P, und P,- berücksichtigt ist. Infolgedessen bildet die linse 1, mit der Brennweite f den Spiegel M₁ auf den Spiegel M₂ ab und umgekehrt.

Das Prisma P^ lenkt den Spiegel aus der Ebene der Figur 3A, bei der es sich um die senkrecht zu den Schwenkachsen·, der Spiegel, in der die Ablenkung des Strahls durch die Spiegel stattfindet, liegende Ebene handelt, heraus. Der lichtstrahl läuft etwa senkrecht zu dieser Ebene zwischen den Prismen P^ und P, und wird

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dann in Richtung auf den Spiegel M₂ in einer Ebene reflektiert, die etwa parallel zu der Ebene verläuft,.in der er auf daa Prisma Pk fiel. Die geneigten reflektierenden Oberflächen der Prismen P. und Pc sind um etwa 90° zueinander um die Achse des zwischen ihnen verlaufenden Lichtstrahles verdreht.

Es sei darauf hingewiesen, dass das System der Figuren 3A und 3B unter Voraussetzung eines entgegengesetzt zu dem System der Figuren 2A und 2B verlaufenden Lichtstrahles beschrieben wurde. Selbstverständlich ist jedoch die Laufrichtung des Lichtes in beiden Systemen umkehrbar.

Die beschriebene Lichtstrahl-Lenkeinrichtung ist besonders geeignet als sekundäres Ablenksystem in einem Gerät zur Lenkung eines Laser-Strahls, wie es beispielsweise in der OfSnlegungsschrift Nr. 2 051 751 beschrieben ist, wobei in diesem Gerät ein Paar grösserer Spiegel als primäres Ablenksystem Verwendung findet. Um die Ansprechgeschwindigkeit des sekundären Ablenksystems zu erhöhen, ist es möglich, das Eingangssignal für die Spulen der aufgehängten Spiegel entsprechend einer gleichzeitig eingereichten Anmeldung des Anmelders (Patentanmeldung P ...) aufzubereiten* ,

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Claims

Patent- (Schutz-) Ansprüche

Vorrichtung zur Lenkung eines Lichtstrahles, welche zwei elektrisch angetriebene Lenkspiegel zur Ablenkung des Strahls in unterschiedliche Richtungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (21, 22) um parallele Achsen (13» H) verschwenkbar aufgehängt sind, dass zwischen den Spiegeln ein optisches System (L₁, P₁, P₂, P₅, L₂; L~, Pg, L., Pc, P4) angeordnet ist, mittels dessen die Ablenkebene eines Spiegels um einen bestimmten Winkel, vorzugsweise um 90°, gedreht wird, und dass die Spiegel an konjugierten Punkten des optischen Systems angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System wenigstens zwei Linsen (L₁, L₂; L,, L^) und eine Anzahl von Reflektoren (P₁, P₂, P,; P,, P^, Pg) aufweist, die die Drehung der Ablenkebene bewirken und den Strahl zwischen den Spiegeln (M₁, M₂) leiten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Linsen (L,) im optischen Weg vor dem ersten Spiegel (M₁) angeordnet ist, während die zweite Linse (L.) zwischen den Spiegeln (M₁, M₂) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruoh 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

das3 die Reflektoren ein Paar innerseitig reflektirende Prismen (P/, Pc) umfassen, die so angeordnet sind, dass ein auf das erste Prisma (Pc) in einer "bestimmten Ebene einfallender Strahl das.zweite Prisma (P.) in einer im wesentlichen zum einfallenden Strahl parallelen Ebene verlässt, jedoch unter einem Winkel zu seiner Einfausrichtung, wobei er die Prismen in einer zu der bestimmten Ebene etwa senkrechten Richtung durchlaufen hat.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das3 die Reflektoren ein Dove-Prisma (Pg) umfassen, das zwischen den beiden Linsen (I₁, 1^) angeordnet und so ausge-.richtet ist, dass es die gewünschte Drehung bewirkt.

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