DE2264173A1 - Lichtstrahl-ablenkungssystem - Google Patents

Description

Patentanwälte

-ing. Leinweber . lisimerponn

München 2, Rosental 7 Tel. 2603989

2 9. Dez. 1972

Matsushita Electric Industrial Co., Ldt, Osaka / Japan

Z/S ti

Lichtstrahl-Ablenkungssystem

Die Erfindung betrifft ein Lichtstrahl-Ablenkungssystem, welches kohärente Lichtstrahlen, wie z« B. Laserlichtstrahlen zur eindimensionalen Wiedergabe eines Bildes mit einem Lichtpunkt verwendet, um dadurch eine billigere und wirksamere Steuerung der Ablenkung des Lichtstrahls zu ermöglichen»

Das erfindungsgemäße Lichtstrahl-Ablenkungssystem kann für Fernsehbildschirme v/irksam verwendet werden und in Bildübertragungsgeräte eingebaut werden«

Die derzeit zugänglichen Verfahren zur Lichtstrahlablenkung umfassen mechanische Verfahren, und zwar solche, welche von gewissen akustisch-optischen Wirkungen Gebrauch machen, und solche, welche von elektro-optischen Wirkungen Gebrauch machen.

INSPECTS

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Alle diese Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile, und keines von ihnen wird als das erfolgversprechendere angesehen. Allgemein gesprochen sind ein großer Ablenkungswinkel, eine hohe Ablenkungsgeschwindigkeit, ein hohes Auflösungsvermögen und Stabilität die erforderlichen Voraussetzungen für eine überragende Durchfuhrung der Ablenkung, Keines der vorgenannten Verfahren kann jedoch für sich allein alle diese Voraussetzungen erfüllen,, Beispielsweise kann mit den Galvanoniet er-Ablenkungssystemen, welche Beispiele für die mechanischen Verfahren darstellen, mit einer einfachen Konstruktion ein grosser Ablenkungswinkel bewirkt werden, was einen Vorteil darstellt, aber die Ablenkungsgeschwindigkeit ist klein, was einen Nachteil darstellt» Auf der anderen Seite sind Ultraschall-Ablenkungssysteme vollkommen entgegengesetzt in der Arbeitsweise. Zusätzlich zu den vorgenannten Verfahren wurde kürzlich ein Verfahren vorgeschlagen, welches von der Ilolographietechnik Gebrauch macht, wobei das Phänomen der Zerlegung von Licht und eine mechanische Drehbewegung miteinander kombiniert werden. Aber auch bei diesem Verfahren bleibt ein Problem ungelöst, da eine gleichmäßige Auflösung nicht erzielt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Lichtstrahl-Ablenkungssystem zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung schafft insbesondere Verbesserungen gegenüber dem bekannten System von D. H. Hcmahon und anderen unter der Bedingung, daß dessen Anwendung lediglich auf die eindimensionale holographische Bildwiedergabe beschränkt ist, und es ist beabsichtigt, ein Lichtstrahl-Ablenkungssystem zu schaffen, welches eine überragende Leistungsfähigkeit aufweist und während der holographischen Bildwiedergabe eine gleichmäßige Auflösung gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Lichtstrahl-Ablenkungssystem ist gekennzeichnet durch mindestens eine holographische Lichtstrahl-Ablenkungsscheibe, welche längs der radialen Achse eine Auf-

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_ rz _ . ■

zeichnung yon eindimensionalen Streifenmustern trägt, die über einen Umfangsbereich dieser Scheibe auf Zeiteinteilungsfeldern angeordnet sind, wobei Mittel zum schärfen Abbilden von kohärenten Lichtstrahlen auf dem Umfangsbereich der Lichtstrahl-Ablenungsscheibe vorgesehen sind, während die Scheibe verdreht wird, um dadurch zerlegtes Licht zu erzeugen, welches als Abtast-Lichtstrahl verwendet wird*

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert· Es zeigen:

Pig» 1 ein optisches System zum Sichtbarmachen von 3?resnelschen Zonen, welche von der Interferenz zweier kohärenter Lichtstrahlen herrühren;

Pig«, 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum . aufeinanderfolgenden Sichtbarmachen ähnlicher Interferenz-Streifenmuster auf einer rotierenden Scheibe;

Pig· 3a, 3b und 3c die Erzeugung zerlegten Lichts, wobei

eine mit der Anordnung nach Pig· 2 erhaltene holographische Abbildung verwendet wird;

Pig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems zur Abbildung eindimensionaler Interferenz-Streifenmuster auf einer rotierenden Scheibe in zeitlicher Übereinstimmung mit einem vibrierenden Spiegel;

Pig· 5 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems; und

Pig· 6 die Zerlegung von Laser-Licht unter Verwendung von eindimensionalen Streifenabbildungen, welche gemäß

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der Erfindung auf einer Scheibe erhalten werden.

Fig, 1 zeigt ein optisches System zum Abbilden von Gittermustern (Hologramm), wie es bei einem derartigen Lichtstrahl-Ablenkungsverfahren verwendet wird, und Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Abbilden eines Hologramms, welche andere Mechanismen als das vorgenannte optische System verwendet.

In Fig, 1 wird ein Interferenzmuster, welches von einer Signalwelle 1 und einer Bezugswelle 2 herrührt, die zueinander kohärent sind, als Fresnelsche Zone 3 auf einer Scheibe 4 abgebildet. Bei der Anordnung nach Fig. 2 wird eine Anzahl ähnlicher Interferenzbilder am Umfangsbereich der Scheibe sukzessiv abgebildet, indem der Winkel θ zwischen der Signalwelle 1 und der Bezugswelle 2 progressiv verändert wird. Die Einstellung des Winkels θ erfolgt durch die Bewegung einer Linse 5, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei ist die Abbildungsebene, in welcher die Fresnelschen Zonen 3 abgebildet werden sollen in der komplexen Ebene der Linsenblende 5 in Bezug auf die Linse 6 angeordnet« Mit f ist der Abstand bei einer derartigen An-¹ Ordnung bezeichnet. Die Fresnelschen Zonen 3 können daher auf dem Umfangsbereich der Scheibe 4 abgebildet v/erden, welche durch einen Synchronmotor 7 in Drehung versetzt wird. Sodann wird die Scheibe 4 mit einem gebündelten kohärenten Lichtstrahl beleuchtet, während sie verdreht wird, um ein zerlegtes Licht zu erzeugen, welches in seiner Brennebene sukzessiv abgebildet wird. Dieses Verfahren ist in seinen Einzelheiten in einem Aufsatz beschrieben mit dem Titel "Light Beam Deflection Holographie Scanning Techniques" von D. H. McMahon und andere, Applied Optics, 1969, Band 8, Seite 399 bis 402.

Gemäß diesem Verfahren kann eine zweidimensionale Abbildung mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit und großem Ablenkungswinkel auf einfache Weise verwirklicht werden, indem lediglich eine einzelne Scheibe verdreht wird. Dieses Verfali-

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ren ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß das Auflösungsvermögen verringert wird, da der Lichtstrahl während der Rotation der Scheibe von einer jeden Fresnel-Zonen-Abbildung abweicht.

Dieser Umstand ist in Mg₀ 3 veranschaulicht, !"ig« 3a zeigt eine Scheibe 31> welche zur zweidimensionalen holographischen Bildwiedergabe Fresnel-Zonen-Abbildungen 32 trägt. Die Scheibe wird verdreht, während sie mit einem gebündelten kohärenten Lichtstrahl beleuchtet wird. Wenn der Lichtstrahl mit einer Fresnel-Zonen-Abbildung zusammenfällt, so wird ein hoher Ausgangswert erhalten, wie dies in Pig. 3b veranschaulicht ist. Wenn jedoch der Lichtstrahl in der Lücke zwischen zwei benachbarten Fresnel-Zonen-Abbildungen auftrifft, so wird nicht nur der Ausgangswert verringert, sondern es werden auch die beiden einander benachbarten Fresnel-Zonen-Abbildungen gleichzeitig beleuchtet. Um die gleichzeitige Wiedergabe zweier Punkte zu verhindern, könnte der Abstand zwischen zwei benachbarten Abbildungspunkten vergrößert werden, wie dies in Fig. 3c veranschaulicht ist, dies. würde aber lediglich zu einem vergrößerten Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden AusgangsSignalen führen. Sowohl im Fall der Fig« yb als auch in demjenigen der Fig. 3c ist es unmöglich ein konstantes Auflösungsvermögen aufrecht zu erhalten.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform eines optischen Systems zur Abbildung von eindimensionalen Laserlicht-Interferenzstreifenmustern gemäß Fig. 4 wird das Bild eines mit gebündeltem parallelem Licht beleuchteten Schlitzes 41 mittels Linsen 42 und 43 auf einem oszillierenden Spiegel 44 abgebildet, und das von diesem Spiegel reflektierte Licht wird mittels weiterer Linsen 45 und 46 auf einer Bildfläche 47 abgebildet. In der Bildfläche 47 wird der Signalstrahl 48 einem Bezugsstrahl 49 zur Aufzeichnung der eindimensionalen Interferenzstreifen-Muster überlagert. Der Spiegel 44 wird mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit langsam verdreht, während die Bildfläche 47 mit einer kon-

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stauten Geschwindigkeit in einer Richtung normal zur Zeichnungsebene bewegt wird. Dadurch wird auf der Bildfläche fortschreitend ein sich kontinuierlich änderndes Streifenmuster abgebildet. Der Antrieb der Bildfläche wird durch einen Motor 50 bewirkt, welcher synchron mit einem Antriebssignal zum Antreiben des oszillierenden Spiegels 44 betätigt wird,

Figo 5 zeigt eine andere Ausführungsform, deren Wirkungsweise leichter verständlich ist_e In Figo 5 entsprechen die mit den Bezugszeichen 51 "bis 60 bezeichneten Bauteile den mit den Bezugs zeichen 41 bis 50 bezeichneten Bauteilen in Pig. 4.

Anstatt die kohärenten Lichtstrahlen auf einem auf der Bildfläche angeordneten lichtempfindlichen Film abzubilden, ist es auch möglich, zur Bildung der eindimensionalen Streifenmuster Elektronenstrahlen zu verwenden.

Pig, 6 zeigt eine Scheibe, welche eine Abbildung der in der zuvor genannten Weise erhaltenen Streifenmuster trägt. Wenn ein paralleler kohärenter Lichtstrahl 62 durch eine zylindrische Linse 63 auf eine mit χ bezeichnete Achse abgebildet wird, welche durch den Mittelpunkt der Ebene der Scheibe 61 hindurchgeht, deren mit ζ bezeichnete Normale mit der Richtung des Lichtstrahls 62 zusammenfällt, so entspricht der resultierende Ablenkungswinkel *f dem Winkel zwischen dem Signallichtstrahl und dem Bezugslichtstrahl bei dem optischen System zur Aufzeichnung eines eindimensionalen Hologramms gemäß Pig. 4. Bei einer Verdrehung der Scheibe 61 verändert sich die Streifenkonstante des auf der χ Achse erscheinenden eindimensionalen Streifenmusters« Die von der Rotation des Spiegels 44 herrührende Veränderung des Einfallswinkels des Signallichtstrahls 48 bei dem System nach Fig. wird daher in Form einer VeränderungΔf des Ablenkungswinkels reproduziert. Bei der Ausführungsform gemäß Pig« 6 kann der abgelenkte Lichtstrahl in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt werden, indem er durch eine zylindrische Linse 64 hindurchgelei-

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tet wird, und sodann kann er in einen Lichtstrahl von der gewünschten Ausbildung umgewandelt werden«

Dadurch, daß die Bildfläche der Scheibe 61 beispielsweise in 50 gleiche Sektoren unterteilt wird,■sodaß jeder Sektor AOB ein Streifenmuster für einen Zyklus enthält, in welchem sich die Streifenkonstante kontinuierlich ändert, und daß die Scheibe 61 mit einer Geschwindigkeit von 18_e000 U/min«, verdreht wird, wird die Abtastgeschwindigkeit oder Frequenz mit dem abgelenkten Lichtstrahl --£§-- x 50 (Hz) = 15o000 (Hz). Mit dem System nach Fig. kann beispielsweise eine Auflösung von 500 Linien erreicht werden, wenn folgende Werte eingehalten werden: Q = 36O°/5O = 7,2°, Schlitzbreite 1=5 mm, maximale Streifenkonstante d = 3,7 Mikron, minimale Streifenkonstante d. = 3 Mikron und Wellenlänge des Laserlichtstrahls *Ä = 6.328 I. In diesem Fall, wenn der Durchmesser D der Scheibe 100 mm beträgt, d. h„ wenn die Bogenlänge AB eines jeden Sektors 6 mm beträgt, ist es notwendig, daß die halbe Breite des Linienbildes längs der χ Achse ungefähr Εφβ mm = 12 Mikron beträgt, was der Auflösung der zylindrischen Linse 63 entspricht. Zur Zeit der Aufzeichnung des eindimensionalen Streifenmusters ist ferner ein Auflösungsvermögen von ungefähr 10 Mikron erforderlich. Wenngleich für die Abtastung durch Ablenkung ein amplitudenartiges Streifenmuster verwendet v/erden kann, ist ein phasenartiges Streifenmuster im Hinblick auf eine Verbesserung der Zerlegungswirkung vorzuziehen, und im Falle von phasenartigen Streifen kann die Scheibe entweder durchsichtig oder reflektierend ausgebildet sein. Indem der Umfang der Scheibe beispielsweise in 275 gleiche Sektionen aufgeteilt wird, ist es ferner möglich, eine Lichtpunkt-Abtastung für eine horizontale Fernseh-Bildzeile innerhalb eines jeden Sektors und für ein Fernsehbild mit dem gesamten Umfangsbereich. der Scheibe zu erhalten.

Wie dies vorstehend erläutert wurde, ist es gemäß der Erfindung durch kontinuierliches Drehen einer Scheibe in einer !Richtung möglich, eine Lichtstrahlablenkungs-Abtastung in ein-

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dimensionaler Richtung mit einer gleichförmigen und konstanten Auflösung während des Abtastvorgangs zu erhalten. Außerdem kann eine Abtastung mit hoher Dichte erreicht werden« Ferner kann das erfindungsgemäße Lichtstrahl-Ablenkungssystem bei Fernsehbildröhren und ähnlichen Gebieten angewendet werden, indem es mit einem oszillierenden Spiegel kombiniert wird, welcher mit einer niedrigen Frequenz (beispielsweise 60 Hz) betrieben wird» Ferner kann die Scheibe, welche eine Aufzeichnung von Streifenmustern trägt auf billige Weise in Massenproduktion durch ein Kontaktdruckverfahren hergestellt werden, für den Fall, daß es sich um Amplituden-Streifen handelt, und die Scheibe kann, für den Fall, daß es sich um Phasen-Streifen handelt, in einem ähnlichen Verfahren hergestellt werden, wie es für die Herstellung von Schallplatten angewendet wird, wobei die Originalschallplatte als Preßform verwendet wird. Zur Bildung des eindimensionalen Streifenmusters können auch Elektronenstrahlen verwendet werden.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   / 1J Lichtstrahl-Ablenkungssystem, gekennzeichnet durch mindestens eine holographische Lichtstrahl-Ablenkungsscheibe, welche längs der radialen Achse eine Aufzeichnung von eindimensionalen Streifenmustern trägt, die über einen Umfangsbereich dieser Scheibe (61) auf Zeiteinteilungsfeldern angeordnet sind, wobei Mittel (45, 46, 63) zum scharfen Abbilden von kohärenten Lichtstrahlen (62) auf dem Umfangsbereich der Lichtstrahl-Ablenkungsscheibe vorgesehen sind, während die Scheibe verdreht wird, um dadurch zerlegtes Licht zu erzeugen, welches als Abtast-Lichtstrahl verwendet wird.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die holographische Lichtstrahl-Ablenkungsscheibe eine Aufzeichnung von mindestens einem Block von Interferenz-Streifenmustern mit einer konstanten Teilung eines jeden Musters in radialer Richtung trägt, wobei sich die Teilung bzw. Steigung dieses eindimensionalen Streifenmusters in Umfangsrichtung im wesentlichen als lineare Funktion des Drehwinkels der Scheibe (61) ändert.
3. 3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die holographische Lichtstrahl-Ablenkungsscheibe eine Aufzeichnung von Streifenmustern trägt, welche durch Beleuchten dieser Scheibe (47) mit einer Vielzahl von kohärenten Lichtstrahlen gebildet werden, während die Scheibe verdreht wird, und daß die Scheibe mit einer lichtempfindlichen Aufzeichnungsschicht bedeckt ist, wobei mindestens einer dieser kohärenten Lichtstrahlen durch einen Schlitz unter Überlagerung mit dem anderen kohärenten Lichtstrahl auf der Scheibe scharf abgebildet wird.

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   4· System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die holographische Lichtstrahl-Ablenkungsscheibe eine Aufzeichnung von eindimensionalen Streifenmustern trägt, indem die Scheibe Elektronenstrahlen ausgesetzt wird, während sie verdreht wird«

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