DE2354892A1

DE2354892A1 - Ablenkprismensatz fuer digitale elektro-optische lichtablenker

Info

Publication number: DE2354892A1
Application number: DE19732354892
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl Phys Schroeder
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1973-11-02
Filing date: 1973-11-02
Publication date: 1975-05-15
Also published as: GB1483296A; SE7413633L; SE393194B; DE2354892B2; NL7414091A; DE2354892C3; JPS5080149A; CA1017981A; US3976360A; FR2250123A1

Description

PHILIPS PATEIiIVERWAITUNG GlCBH, Hamburg Ί , Steindamm 94

Ablenkprismensatz für digitale elektro-optische Lichtablenker

Die Erfindung bezieht sich-auf einen Ablenkprismensatz, bei dem. sich der Prismenwinkel der einzelnen jeweils hintereinandergeordneten Prismen verdoppelt zur Erzeugung eines Punktrasters für digitale elektro-optische Lichtablenker, z.B. Laser-Lichtablenker.

Ein derartiger elektro-optischer Lichtablenker besteht aus einer alternierenden Hintereinanderanordnung von Elektrodenpaaren und . doppelbrechenden Prismen. Zwischen den Elektroden befindet sich eine Kerrflüssigkeit, die auch sämtliche Prismen umspült. Die Kerrzelle dient als Polarisationsschalter, der den Laserstrahl zwischen zwei orthogonalen Polarisationszuständen schalten soll, so daß der Strahl im folgenden Prisma in dem einen Fall als außerordentlicher Strahl in dem anderer Fall als ordentlicher Strahl gebrochen wird. Jede' Stufe gestattet so die digitale Ansteuerung zweier Richtungen; die Hintereinanderanordnung von N-Stufen ergibt PHD 73-197 Sh/Sa - -..-".

N
somit 2 -Richtungen. Diese Richtungen sind bei geeigneter Wahl der Prismenwinkel äquidistant.

erzeugt Das erste Prisma hat den kleinsten Prismawinkel und/.einen Au'fspaltwirikel, der als Elementarwinkel des Winkelrasters bezeichnet wird. Dies ist der Winkel zwischen jeweils zwei benachbarten Richtungen im Gesamt-Richtungsraster. Das Raster hinter dem ersten Prisma, bestehend aus zwei Richtungen,, wird jetzt in dem folgenden Prisma verdoppelt, so daß das Richtungsraster nun aus vier Richtungen besteht. Damit diese vier Richtungen gleichen Winkelabstand zueinander haben, muß der Prismerwinkel einen bestimmten Wert haben. Bei kleinen Prismawinkeln ist dies ausreichend genau angegeben, wenn sich die Prismeiwinkel verdoppeln. Bei größeren Winkeln erfordern die nichtlinearen Eigenschaften des Brechungsgesetzes jedoch eine genauere Berechnung des Prismas. Hier treten dann Aberrationen auf, die sich z.B. darin zeigen, daß der Gesamtwinkel des Rasters kein ganzzahliges Vielfaches vom Elementarwinkel ist.

Hei Verwendung von Ablenklichtstrahlen unterschiedlicher Farbfrequenzen schwenkt das Gesamtraster bei Wellenwechsel von einer Farbe zur anderen, z.B. von blau nach rot von der brechenden Prismenkante hinweg und die relativen Aufspaltwinkel des Rasters nehmen bei Lichtwechsel, z.B. von blau nach rot, ab.

Außer diesen beiden Effekten tritt ein zusätzlicher Effekt bei den Prismen mit größeren Prismenwinkeln auf. Ausgehend von einem für rotes Licht "berechneten Prismensatz zeigt sich, daß der Auispaltwinkel für blaues licht zwar nur etwas größer als der für rotes licir

ist,

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aber nur bis zu dem Prisma, dessen Winkel kleiner als der 10Ofache Wert des Winkels des ersten Prismas ist. Bei den Prismen mit größeren Winkeln, zeigt der Aufspaltwinkel für blaues Licht immer stärker werdende Abweichungen, da auch die Aberrationen, die verstärkt bei den größeren Prismenwinkeln auftreten, einen Dispersionseffekt zeigen. -

Die störenden Dispersiönseffekte verändern einmal das Raster als Ganzes im Sinne einer Rasterver.kippung- und -aufweitung und zum anderen die innere Rasterstruktur im Sinne von Aberrationen. Während im ersten Fall, der mit Linear-Dispersion bezeichnet werden soll, eine Korrektur durch optische Komponenten außerhalb des Prismensatzes möglich ist, muß im zweiten Fall, der im folgenden mit Aberrations-Dispersion benannt liTird, in den Prismensatz selbst eingegriffen werden.

Aufgabe der Erfindung ist, einen farbenkorrigierten Prismensatz für die eingangs genannten elektro-optischen Lichtablenker zu schaffen, bei dem für mindestens zwei Farben die Aberration-Dispersion beseitigt ist, so daß die jetzt ähnlichen Raster mittels bekannter Technik durch speziell larbkorrigierende Abbildungslinsen deckungsgleich auf dem Bildschirm erscheinen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß bei den doppelbrechenden Prismai mit den größeren Prismawinkeli der PrismeitLachwi-nkel von der Ebene, in der die senkrecht zur Systemaehse liegende optische Achse des Prismas liegt, derart geschnitten wild, daß die beiden mit der optischen Achse gebildeten Teilwinkel/ein Verhältnis

des jeweiligen Prismas.

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zwischen etwa 2/3 und 4/3 haben. Die .Prismen werden bei Beibehaltung der senkrechten Lage der optischen Achse zur Systemachse verkippt, wobei der Verkippungswinkel als Aberrationsvariable benutzt wird.

Dadurch können auf dem Bildschirm für die einzelnen Färben des Ablenklichtstrahls deckungsgleiche Punktraster erzeugt werden.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel dar.

Es zeigen

Fig. 1 zur Erläuterung desselben einen Teil eines Prismensatzes, Fig. 2 ein Prisma mit zwei verschiedenen Teilwinkeln Fig. 3 einen kompletten Prismensatz.

Nach Fig. 1 hat der aus drei Prismen P^, P₂, P-z bestehende Ablenker das erste Prisma den kleinsten Prismawinkel ccj und einen Aufspaltwinkel φ -, , der als Elementarwinkel des Winkelrasters bezeichnet wird. Dies ist der Winkel zwischen jeweils zwei benachbarten Richtungen r<j, r₂ im Gesamt-Richtungsraster. Das Raster hinter dem ersten Prisma P-j, bestehend aus den beiden Richtungen r^, ν ^ wird jetzt in dem zweiten Prisma P« mit dem Winkel <tjj verdoppelt, so daß das Richtungsraster nun aus vier Richtungen r^, r^, r^, r^ besteht. Damit diese vier Richtungen gleichen Winkelabstand zueinander haben, muß der Prismsnwinkel α-j-j einen bestimmten Wert haben. Wenn der Wert zwischen den beiden Teilrastern aus je zwei Richtungen mit <£_el bezeichnet wird, muß der Winkel ^₁₁ so berechnet sein, daß der Winkel ψ ? exakt

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gleich $ , ist. Bei kleinen Prismenwinkeln ist dies ausreichend genau gegeben, wenn der Prismawinkel ct_ gleich 2 &_T ist. Bei

treten " ■

größeren Prismenwinkeln/Aberrationen auf und der Gesamtwinkel des Rasters ist kein ganzzahliges Vielfaches vom Aufspaltwinkel "^ , mehr. Man könnte zwar einen Prismenwinkel angeben, der die als Beispiel erwähnt^ Aberration nicht zeigt, dann wäre aber der Anschlußwinkel bei der Rasterverdopplung durch dieses Prisma nicht genau gleich dem vorgegebenen Aufspaltwinke1 ψ^. Der Anschlußwinkel hinter einem Prisma wird von den äußersten Richtungen des in dieses Prisma einfallenden Rasters erzeugt, z.B. in der Fig.1 r, und rg. für das Prisma P,.

Die einzelnen Richtungen des Liehtstrahl-Richtungsrasters werden durch drei Brechungsindizes, den ordentlichen (n_o), den außerordentlichen Index (n__) und den Brechungsindex des umgebenden Mediums (z.B. Nitrobenzol) bestimmt. Diese drei. Indizes zeigen die übliche Wellenlängendispersion, d.h. sie nehmen mit anwachsender Wellenlänge kleinere Werte an.

Für die Abweichung des Laserstrahls von der optischen Systemachse und damit für die Lage des Gesamtrasters sind hauptsächlich die Differenzen Δn_ao ^^ A.n_Q maßgebend. Damit ergeben sich die Dispersionseffekte, die bewirken, daß das Gesamtraster bei Wellenwechsel von blau nach rot des Ablenklichtstrahls von der brechenden Prismenkante hinweg schwenkt, und daß die relativen Aufspaltwinkel des Rasters bei Lichtwechsel von blau nach rot abnehmen. "."."-..""-■" """."""■-

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Der Winkel 4>_m-_n und _ν geben die jeweils äußersten Rasterrichtungen nach jedem.

Prisma an. -Ein Vergleich von fi_m*_n und ^_max für rotes und blaues Licht zeigt die erwähnte Verkippung des Gesamtrasters: die 4 _a -Werte beim blauen Licht sind größer, die P_mi_n"¹^^e'^r'^^e dagegen kleiner als die entsprechenden Werte für rotes Licht. Das stimmt

zumindest für die Rasterwinkel hinter den Prismen P^ Pg

(Fig. 3). Hinter dem 10.Prisma P₁₀ kann dieser Effekt schon korrigiert werden, und zwar dadurch, daß das 10.Prisma P^₀ im Vergleich zu den anderen Prismen"auf dem Kopf" steht. Wenn jetzt der Laserstrahl, der den Winkel #_„„ hinter jedem Prisma erzeugt,

max

in den Prismen P^ Pg als außerordentlicher Strahl gebrochen

wurde, wird er durch das Prisma P-_o als ordentlicher Strahl abgelenkt; da nun die Winkelsümme der vorangehenden Prismen nahezu gleich dem Winkel des Prismas P^₀ ist, wird so die unterschiedlich starke Dispersion von n_Q und n_fl0 nahezu kompensiert.

Neben dieser dispersiven Änderung der Absolutlage des Gesamtra- . ßters verändert sich aber auch noch der relative Aufspaltwinkel.

Die Summe von ^_m^_n und 4_max wie auch <fer Aufspaltwirikel f_&-^ ist für blaues Licht größer als für rotes Licht.

Die Prismenwinkel werden so berechnet, daß bei der jeweiligen Rasterverdopplung die beiden Teilraster mit exakt dem vorgegebenen

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, , 235Α892

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Elementarwinkel anschließen. Wenn diese Teilraster auch infolge der Aberrationen kein vollkommenes äquidistantes Richtungsraster darstellen, so ist der richtige Rasteranschluß hinter jedem Prisma doch gegeben. Wenn nun durch einen solchen Prismensatz Licht einer anderen Wellenlänge hindurchgeschickt wird, sind bei kleinen Prismenwinkeln ohne Auftreten nennenswerter Aberration alle Winkel um einen festen Prozentsatz kleiner oder großer. Bei den großen Prismenwinkeln mit stärker werdenden Aberrationen ist aber der exakte Anschluß der .Teilraster nicht mehr automatisch gegeben. Der Anschlußwinkel ist die Stelle im Richtungsraster; an der sich die Aberrationen am stärksten auswirken, da der Anschlußwinkel bei der Rasterverdopplung durch ein Prisma immer gerade von den beiden äußersten Richtungen r,, r,- bzw. ^₇, r_Q des einfallenden Raster $_m-_n und φ , also den am stärksten mit Aberrationen behafteten Richtungen, erzeugt wird.

Während bei Linear-Dispersion eine Korrektur durch optische Komponenten außerhalb des Prismensatzes möglich ist, muß im Fall der Aberrations-Dispersion in den Prismensatz.selbst eingegriffen werden.

Wenn Qedes Prisma des Lichtablenkers durch ein Prisma des Woliaston-Typs ersetzt würde,das sich aus zwei Teilprismen von gleichen Winkeln zusammensetzt, die zwar äußerlich zusammen eine planparallele Platte ergeben, trotzdem aber eine prismatische Wirkung zeigen, da die optischen Achsen beider Teilprismen senkrecht zueinander liegen, durchdringt jeder Strahl· das erste Teilprisma

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als ordentlicher Strahl und wird im 2. Teilprisma als außerordentlicher Strahl gebrochen und umgekehrt. Damit könnte die Aberration-Dispersion zwar auch schon korrigiert werden, aber ■hierbei wird die Anzahl der Prismen pro Lichtablenker verdoppelt, so daß diese Lösung technologische Nachteile hätte,z.B. die genaue Justage der einzelnen Prismen und die Lichtverluste.

Wenn für ein Prisma außer der Forderung, daß für die vorgegebenen Einfallswinkel und vorgegebene Lichtwellenlänge der Anschlußwinkel gleich dem Elementarwinkel ^_el ist, eine zweite Forderung für den Anschlußwinkel bei einer zweiten Wellenlänge erfüllt werden soll, wird eine zweite Variable benötigt.

Nach Fig. 2 ist die Ebene, in der die optische Achse Oa liegt, normal zur Systemachse SAvorgegeben, die geometrische Lage des Prismas P allerdings nicht. Daher kann als zusätzliche Variable das Verhältnis der Winkel cL^M^ genutzt werden.

Werden die beiden äußersten Richtungen des z.B.auf Prisma Pg(Mg.3)ein ÄflDaicten Rasters als fest vorgegeben, kann der Gesamtwinkel a₁ + cL für verschiedene Verhältnisse ^a1 so berechnet werden, daß

z.B.für das rote Licht immer der Soll-Anschlußwinkel erreicht wird. Wird außerdem der sich jeweils ergebende Anschlußwinkel für blaues Licht aufgetragen, ergibt sich, daß letzterer Winkel und damit die Aberrations-Dispersion ebenfalls von dem Verhältnis 1 abhängt. Betrachtet man als Beispiel einen x'ür roter.

Licht (647 mn) berecnneten Prismensatz nit a_I=4,5^l und _el=0.000 14^r

(im Bogenmaß) dann gibt es eine Stelle ^I = 0,515,

U₁ + a₂

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wo φ ^ - (blau) den Sollwert für blau hat. Nun kann man mit dem so gefundenen neuen Prisma Pg die äußersten Winkel, die hinter dem folgenden Prisma P₁₀ den Anschlußwinkel ergeben, ermitteln und wiederholt diese Ermittlung für das Prisma P^q. Es kann so ein neuer Prismensatz ermittelt bzw, errechnet werden, der keine Aberrations-Dispersion mehr zeigt. '

Nach Fig.. 3 besteht ein solcher von einem Strahl des digitalen Lichtablenkers L durchsetzter Prismensatz z.B. aus den hintereinander angeordneten Prismen P.. ... P₁Q, von denen die Prismen P. ... P₇ rechtwinklig sind und das Prisma P^ etwa einen Prismendachwinkel von 4,5' hat, der sich von Prisma zu Prisma verdoppelt. Die optische Achse DA des Prismas liegt parallel zur den Laserstrahl aufnehmenden Fläche des jeweiligen Prismas, so daß hier der Winkel α... Null und der Winkel ^₂ gleich dem Prismenwinkel ist. Bei dem Prisma Pg beträgt das Verhältnis der beiden Winkel etwa 2/3· Dabei ist die den laserstrahl aufnehmende Prismenfläche entsprechend zur Systemachse SA geneigt. Bei dem Prisma Pq mit gegenüber- Prisma Pq verdoppeltem Prismawinkel-betragt das Winkelverhält nis ca. 1 bei entsprechender Neigung der Prismenfläöhen, während das Prisma P₁₀, wie vorher erläutert, "auf dem Kopf steht" und sein Winkelverhältnis &../fiu wieder etwa 2/3 ist. Die zwischen den Prismen vorhandenen Polarisationsschalter sind der Einfachheit halber weggelassen worden.

Eine Berechnung der Winkelraster in den Zwischehfarben grün (521 n und gelb (56£ nm) zeigt, daß auch hier und damit praktisch für das gesamte sichtbare Spektrum die Aberrations-Dispersion bis auf Abweichungen kleiner als 0,3$ des Elemenarwinkels korrigiert ist.

. Patentansprüche:

' =; 509820/0071 -

Claims

Patentansprüche: » /Q ·

Ablenkprismensatz, bei dem sich, der Prismenwinkel der einzelnen jeweils hintereinander geordneten Prismen verdoppelt, zur Erzeugung eines Punktrasters für digitale elektro-optische Lichtablenker, z.B. Laser-Lichtablenker, dadurch gekennzeichnet, daß bei den doppelbrechenden Prismen mit den größeren Prismawinkeln der PrismeMachwinkel von der Ebene, in der die senkrecht zur Systemachse liegende optische ,Achse des Prismas liegt, derart geschnitten wird, daß die beiden mit der optischen Achse gebildeten Teilwinkel des jeweiligen Prismas ein Verhältnis" zwischen etwa 2/3 und 3/4 haben.
2.) Ablenkprismensatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen mit einem Prismenwinkel bis zu 5° rechtwinklige Prismen sind, deren optische Achse in der den Laserstrahl aufnehmenden Prismenilache und senkrecht zur System— achse liegt und die folgenden Prismen zur Systeaachse geneigte aufnehmende Flächen haben, ihre optischen Achsen jedoch senkrecht zur Systemachse bleiben.

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