DE2321211B2

DE2321211B2 - Strahlablenker mit piezoelektrisch angetriebenen schwenkbaren Spiegeln

Info

Publication number: DE2321211B2
Application number: DE2321211A
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr.-Ing. 8000 Muenchen Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: BODLAJ, VIKTOR, DR., 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1973-04-26
Filing date: 1973-04-26
Publication date: 1979-08-09
Also published as: FR2227542A1; FR2227542B1; DK138290B; IT1010055B; NL7405596A; GB1440688A; DE2321211C3; DK138290C; DE2321211A1; BE814250A; US3902783A; LU69929A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Strahlablenker mit piezoelektrisch angetriebenen schwenkbaren Spiegeln zum schnellen periodischen Umlenken, insbesondere von Lichtstrahlen.

Derartige Strahlablenker sind aus den US-Patentschriften 35 44 201 und 35 44 202 bekannt

In der US-PS 35 44 201 ist ein Strahlablenker nnit piezoelektrisch angetriebenen schwenkbaren Spiegeln beschrieben, bei dem piezoelektrische Biegeschwinger Verwendung finden. Der Biegeschwinger besteht aus zwei fest miteinander verbundenen Platten aus piezoelektrischem Material. Die eine Seite dieser Doppelplatte ist mit einer Unterlage fest verbunden. Der Spiegel ist mit der gegenüberliegenden Kante der Doppelplatte üo verbunden, daß seine Spiegelfläche im unverbogemm Zustand des Biegeschwingers parallel zur Doppelplatte liegt. Die Anwendung dieses Strahlablenker ist durch große Erschütterungsempfindlichkeit begrenzt.

In der US-PS 35 44 202 ist ein Strahlablenker beschrieben, bei dem mehrere piezoelektrische Blöcke, von denen jeder eine reflektierende Oberfläche aufweist, auf gegenüberliegenden Seiten eines Trägergehäuses befestigt. Jeder Block ist mit einer Oberfläche, die der reflektierenden Oberfläche benachbart ist, am Trägergehäuse befestigt. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an jeden Block wird eine Scherspannung in diesem erzeugt, die eine Drehung seiner reflektierenden Oberfläche verursacht. Beim Betrieb dieses Strahlablenker wird der Lichtstrahl in einem solchen Winkel auf die erste reflektierende Fläche gelenkt, daß der reflektierte Strahl auf die Spiegelfläche des in Strahlrichtung ersten gegenüberliegenden Blockes fällt und so fort. Der Strahl durchläuft so einen Zickzackweg im Gehäuse. Die Strahlablenkung wird dadurch erreicht, daß die reflektierenden Flächen benachbarter Blöcke gegensinnig verdreht werden. Eine Erhöhung dor maximalen Strahlablenkung kann nur durch Hinzufügen weiterer Blöcke erreicht werden. Eine solche Anordnung kann aber zwangsläufig keine scharf definierte Eigenresonanz aufweisen, da die einzelnen Blöcke mechanisch nicht miteinander gekoppelt sind und nicht

^r> alle Einzelblöcke dieselbe Eingenresonanz haben dürften. Außerdem nimmt die Erschütterungsempfindlichkeit des Systems bei wachsendem Ablenkwinkel, bedingt durch dessen zunehmende Länge, zu.
In der DE-OS 19 22423 ist ein Strahlablenker

'·<> beschrieben, bei dem ein Spiegel um eine in der Spiegelebene liegende Achse drehbar gelagert ist und der auf seiner Rückseite einen Stift trägt, der in eine Gabel eingreift Die Gabel ist auf der einen Stirnfläche eines piezoelektrischen Biegeschwingers montiert, der

Ij mit seinem anderen Ende eingespannt ist Ein solcher piezoelektrischer Biegeschwinger kann beispielsweise aus zwei fest miteinander verbundenen Streifen aus piezoelektrischem Material bestehen (siehe US-PS 35 08814). Die Verbiegung des Doppelstreifens wird dadurch erreicht, daß durch Anlegen von Spannungen einer der Streifen verkürzt und/oder der andere Streifen verlängert wird. Bei Verwendung eines derartigen Strahlablenker kann ein Überstreichen eines Winkelbereiches erreicht werden, und es können so Messungen

-'■'> von Abständen und Geschwindigkeiten von Objekten bezüglich einer Bezugsebene vorgenommen werden. Die Anwendung eines solchen Strahlablenker ist jedoch durch große Erschütterungsempfindlichkeit begrenzt

.«> Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Strahlablenker der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem größere und genau einstellbare Winkelbereiche erfaßt werden können und der dennoch unempfindlich gegenüber äußeren Erschütterungseinflüssen ist

>'' Die Aufgabe wird durch zwei getrennnt nebeneinander angeordnete, aus je mehr als zwei piezoelektrischen Scheiben gebildete Säulen, an die elektrische Spannungen derart anlegbar sind, daß aufgrund des longitudinalen piezoelektrischen Effektes die eine Säule sich

·«· verlängert, die andere sich verkürzt, durch eine Wippe, die mit den beiden Säulen verbunden ist und durch zwei Spiegel, von denen jeder um eine in der Spiegelebene außerhalb der Spiegelfläche angeordnete, mit dem zugehörigen Spiegel über ein Verbindungsteil verbun-

■»'» dene Achse drehbar ist, wobei die Verbindungsteile über an ihren Enden drehbar gelagerte Stangen mit der Wippe verbunden sind, gelöst.

Bei Verwendung eines derartigen Strahlablenker erreicht man schon bei 10% der zulässigen Ansteuer-

^r«> spannung und bei mehrmaliger Reflexion einen Winkelbereich der abzulenkenden Strahlen bis etwa 30°, wenn mit einer Frequenz gearbeitet wird, weiche den Eigenresonanzen der Ablenkvorrichtung entspricht. Die Eigenresonanzen lassen sich durch den mechani-

">^r> sehen Aufbau und durch die Größe und Anzahl der piezoelektrischen Scheiben vorgeben.

Da die die Schwingungen erzeugenden Bauelemente säulenförmig übereinander angeordnet sind, ergeben sich gegen Erschütterungen unempfindliche Schwin-

ho gungsbewegungen entlang der Säulenachse. Diese Bewegungen werden über ein robustes mechanisches System auf die beiden Spiegel übertragen.

Jeder Spiegel wird um eine Achse gekippt, die in der Spiegelebene außerhalb der Spiegel angeordnet ist. Die

h" an den Spiegeln befestigten Verbindungsteile sind an den Achsen drehbar gelagert. Jedes Verbindungsteil ist außerhalb der Spiegel über je eine an ihren Enden mit Drehgelenken versehene Stange mit je einem Ende der

Wippe verbunden.

Größere Ablenkwinkel des abzulenkenden Strahls lassen sich bei dem vorgeschlagenen Strahlablenker vorteilhafterweise dadurch erhalten, daß die Lichtstrahlen unter einem solchen Winkel auf den ersten Spiegel gerichtet werden, daß am ersten Spiegel mindestens eine und am zweiten Spiegel mindestens eine Reflexion auftritt Je mehr Reflexionen dabei auf den Spiegeln auftreten, desto größer wird der AblenkwinkeL

Die Erfindung wird anhand der Figurenbeschreibung näher erläriert

Fig.! zeigt den schematischen Aufbau eines piezoelektrischen Strahlablenker^

Fig.2 den zugehörigen Strahlenverlauf bei der Durchführung des Verfahrens.

In der F i g. 1 sind an einer ebenen Fläche 1 die beiden Säulen 2 und 3 befestigt, die aus mehreren piezoelektrischen Scheiben 4 bestehen. Die einzelnen Scheiben sind miteinander Ober Zwischenelektroden derart verbunden und die Polarisierung der Scheiben derart ausgelegt, daß sich beim Anschluß einer Spannung an die Zwischenelektroden eine Säule wegen des piezoelektrischen Effektes verlängert und sich gleichzeitig die andere Säule verkürzt Dadurch verschiebt sich die mit den beiden Säulen 2 und 3 verbundene Wippe 5 um einen Winkel x. Die Wippe 5 ist an ihren Enden über je eine Stange 6 und 7 mit den Verbindungsteilen 8 und 10 verbunden, welche an den Achsen 11 und 13 drehbar gelagert sind und an ihren anderen Enden die Spiegel 14 und 15 enthalten. Die Spiegel 14 und .5 werden also um die Achsen 11 bzw. 13 derart gedreht, daß die beiden Spiegel miteinander einen Winke! β bilden. Der Winkel '·> β ist eine Funktion des Winkel α und größer als dieser.

Der Aufbau dieses Ablenkers kann den Meßaufgaben angepaßt für hohe Ablenkfrequenzen oder hohe Ablenkwinkel ausgelegt werden.
In der Fig.2 ist der Strahlverlauf über diesen

ίο Strahlablenker 9 dargestellt Der Strahlablenker enthält u.a. die beiden Spiegel 14 und 15 in der ausgezogen gezeichneten Lage bzw. 14' und 15' in der gestrichelt gezeichneten Lage. Von einem Sender 12 gelangt der Strahl von oberhalb der Papierebene auf den ersten

i> Spiegel 15, wird mehrmals zwischen den Spiegeln 14 und 15 hin und herreflektiert und gelangt schließlich unterhalb der Papierebene in der Richtung 16 nach außen zu einem Zielobjekt hia Nach einer halben Ablenkperiode weisen die beiden Spiegel die mit 14' und 15' gekennzeichnete Lage auf. jetzt wird der Strahl an den Spiegeln 15' und 14' mehrmals hin- und herreflektiert, und gelangt in der Richtung 17 nach außen. In den gezeichneten beiden Umkehrlagen der Spiegel wird z. B. ein Winkelbereich von γ = 30° abgesteckt Der

2"> Strahlablenker kann bei vielen Verfahren eingesetzt werden, bei welchen ein großer Winkelbereich schnell abgetastet werden muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strahlablenker mit piezoelektrisch angetriebenen schwenkbaren Spiegeln zum schnellen periodischen Umlenken, insbesondere von Lichtstrahlen, gekennzeichnet durch zwei getrennt nebeneinander angeordnete, aus je mehr als zwei piezoelektrischen Scheiben (4) gebildete Säulen, an die elektrische Spannungen derart anlegbar sind, daß aufgrund des longitudinalen piezoelektrischen Effekts die eine Säule sich verlängert, die andere sich verkürzt, durch eine Wippe (S), die mit den beiden Säulen verbunden ist und durch zwei Spiegel (14 und 15), von denen jeder um eine in der Spiegelebene außerhalb der Spiegelfläche angeordnete, mit dem zugehörigen Spiegel über ein Verbindungsteil (8 bzw. 10) verbundene Achse (11 bzw. 13) drehbar iist, wobei die Verbindungsteile über an ihren Enden drehbar gelagerte Stangen (7 bzw. 6) mit der Wippe verbunden sind.

2. Verfahren zum Umlenken von Strahlen mittels eines Strahlablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen unter einem solchen Winkel auf den ersten Spiegel gerichitet werden, daß am ersten Spiegel mindestens eine und am zweiten Spiegel mindestens eine Reflexion auftritt