DE2354892B2

DE2354892B2 - Digitaler elektro-optischer lichtablenker mit doppelbrechenden ablenkprismen

Info

Publication number: DE2354892B2
Application number: DE19732354892
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl.-Phys 2359 Henstedt-Ulzburg Schröder
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: 1977-09-08
Also published as: SE7413633L; JPS5080149A; DE2354892A1; SE393194B; DE2354892C3; CA1017981A; FR2250123A1; GB1483296A; NL7414091A; US3976360A

Description

3°

Die Erfindung bezieht sich auf einen digitalen elektro-optischen Lichtabianker zur Erzeugung eines Punktrasters, mit einem Satz doppelbrechender Ablenkprismen, bei dem sich der Prismenwinkel der einzelnen hintereinander angeordneten Prismen von einem zum nächsten jeweils verdoppelt, sowie mit einem Satz von Polarisationsschaltern zur wahlweisen Drehung der Polarisationsrichtung um 90°.

Ein derartiger aus der DT-OS 15 72 811 bekannter 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 anderen Fall als ordentlicher Strahl gebrochen wird. Jede Stufe gestattet so die digitale Ansteuerung zweier Richtungen; die Hintereinanderanordnung von N-Stufen ergibt somit 2^W-Richtungen. Diese Richtungen sind bei geeigneter Wahl der Prismenwinkel äquidistant.

Das erste Prisma hat den kleinsten Prismenwinkel und erzeugt einen Aufspaltwinkel, der als Elementarwinke! des Winkelrasters bezeichnet wird. Dies ist der Winkel 2:wischen jeweils zwei benachbarten Richtungen im Gesamt-Richtungsraster. Das Raster hinter dem ersten F'risma, bestehend aus zwei Richtungen, wird r>o jetzt in dem folgenden Prisma verdoppelt, so daß das Richlungsraster nun aus vier Richtungen besteht. Damit diese vier Richtungen gleichen Winkelabstand zueinander haben, muß der Prismenwinkel einen bestimmten Wert haben. Bei kieinen Prismenwinkeln ist dies ^s ausreichend genau angegeben, wenn sich die rrismeiiwinkel 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.

Bei Verwendung von Ablenküchtstrahien unterschiedlicher Farbfrequenzen schwenkt das Gesamtraster bei Wellenwechsel von einer Farbe zur anderen z.B. von Blau nach Rot von der brechender; Frismenkante 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 der. Prismen mit größeren Prismen winkeln auf. Ausgehend von einem für rotes Licht berechneten Prismensatz zeigt sich, daß der Aufspaltwinkcl für blaues Licht zwar nur etwas größer als der für rotes Licht ist, aber nur bis zu dem Prisma, dessen Winkel kleiner als der lOOfache 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 Dispersionseffekte verändern einmal das Raster als Ganzes im Sinne einer Rasterverkippung und -aufweitung und zum anderen die innere Rastersiruktur 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 wird, in den Prismensatz selbst eingegriffen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen farbenkorrigierten Prismensatz für die eingangs genannten elektro-optischen Lichtablenker zu schaffen, bei dem für mindestens zwei Farben die Aberrations-Dispersion beseitigt ist.

Ist dies geschehen, so können die jetzt ähnlichen Raster mittels bekannter Technik durch speziell farbkorrigierende Abbildungsiinsen deckungsgleich auf den Bildschirm geworfen werden.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die zwischen den beiden den Prismenwinkel einschließenden Prismenflächen und der senkrecht zur optischen Achse des Systems und senkrecht zur Prismenkante stehenden optischen Kristallachse eingeschlossenen zwei Teilwinkel «ι und «2 jedes Prismas, das einen größeren Prismenwinkel als 5° aufweist, ein Verhältnis zwischen 2:3 und 3:4 zueinander haben, wobei ol\ der der Lichtquelle zugewandte, ol₂ der von ihr abgewandte Teilwinkel ist.

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

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt

F i g. 1 zur Erläuterung desselben einen Teil eines Prismensatzes,

Fig.2 ein Prisma mit zwei verschiedenen Teilwinkeln,

F i g. 3 einen kompletten Prismensatz.

Nach F'g. 1 hat der aus drei Prismen P\, P₂, Pj bestehendi Ablenker das erste Prisma den kleinsten Prismav/inkel «ι und einen Aufspaltwinkel Φ ^a der als Elementarwinkel des Winkelrasters bezeichnet wird. Dies isi der Winkel zwischen jeweils zwei benachbarten Richtungen 0, r₂ im Gesamt-Richtungsraster. Das Raster hinter dem ersten Prisma P], bestehend aus den

beiden Richtungen r,, r₂, wird jetzt in dem zweiten Prisma P₂ mit dem Winkel am verdoppeil, so daß das Richtungsrasler nun aus vier Richtungen n, r₄, r% r_b besteht. Damit diese vier Richtungen gleichen Winkelabstand zueinander haben, muß der Prismenwinkel <x_u s einen bestimmten Wert haben. Wenn der Wert zwischen den beiden Teilrastern aus je zwei Richtungen mit Φ¹'/ bezeichnet wird, muß der Winkel «n so berechnet sein, daß der Winkel Φ^ι1ι exakt gleich Φ& ist. Bei kleinen Prismenwinkeln ist dies ausreichend genau ,₀ gegeben, wenn der Prismawinkel am gleich 2 x_f ist. Bei größeren Prismenwinkeln treten Aberrationen auf, und der Gesamtwinkel des Rasters ist kein ganzzahliges Vielfaches vom Aufspaltwinkel Φ_ϋ/ mehr. Man könnte zwar einen Prismenwinkel angeben, der die als Beispiel _!S erwähnte Aberration nicht zeigt, dann wäre aber der Anschlußwinkel bei der Rasterverdopplung durch dieses Prisma nicht genau gleich dem vorgegebenen Aufspaltwinkel Φ_e^ Der Anschlußwinkel hinter einem Prisma wird von den äußersten Richtungen des in dieses Prisma einfallenden Rasters erzeugt, z. B. in der F i g. 1 η und n, für das Prisma Pj.

Die einzelnen Richtungen des Lichtstrahl-Richtungsrasters werden durch drei Brechungsindizes, den ordentlichen (n_o), den außerordentlichen Index (7?.,,,) und ₂* 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 An_11n und Δη_ο maßgebend. Damit ergeben sich die Dispersionseffekte, die bewirken, daß das Gesamtrasier bei Wellenwechsel von Blau nach Rot des Ablenklicht-Strahls von der brechenden Prismenkante hinweg schwenkt und daß die relativen Aufspaltwinkel des Rasters bei Lichtwechsel von Blau nach Rot abnehmen.

Der Winkel Φ_ωία und Φ_ωαχ geben die jeweils äußersten Rasterrichtungen nach jedem Prisma an. Ein Vergleich von Φ mm und Φ_πω« für rotes und blaues Licht zeigt die erwähnte Verkippung des Gesamtrasters: die Φ™»- Werte beim blauen Licht sind größer, die Φ,,,ΐη-Werte dagegen kleiner als die entsprechenden Werte für rotes Licht. Das stimmt zumindest für die Rasterwinkel hinter den Prismen Pi... P₉ (F i g. 3). Hinter dem 10. Prisma Pi₀ kann dieser Effekt schon korrigiert werden, und zwar dadurch, daß das 10. Prisma Pio im Vergleich zu den anderen Prismen »auf dem Kopf« steht. Wenn jetzt der Laserstrahl, der den Winkel Φ ,„,·,» hinter jedem Prisma erzeugt, in den Prismen P\ ... P₉ als außerordentlicher Strahl gebrochen wurde, wird er durch das Prisma Pi₀ als ordentlicher Strahl abgelenkt; da nun die Winkelsumme der vorangehenden Prismen nahezu gleich dem Winkel des Prismas Pio ist, wird so die unterschiedlich ss starke Dispersion von n_o und n„„ nahezu kompensiert.

Neben dieser dispersiven Änderung der Absolutlage des Gesamtrasters verändert sich aber auch noch der relative Aufspaltwinkel. Die Summe von Φ,,,,_η und Φ,,,.,, wie auch der Aufspaltwinkel Φ<·/ ist für blaues Licht (>o größer als für rotes Licht.

Die Prismenwinkel werden so berechnet, daß bei der jeweiligen Rasterverdopplung die beiden Teilraster mit exakt dem vorgegebenen Elementarwinkel anschließen. Wenn diese Teilrastcr auch infolge der Aberrationen kein vollkommenes äquidistantes Richtungsraster darstellen, so ist der richtige Rasieranschluß 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 größer. 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 r₃, r_b bzw. j-₇, r₈ des einfallenden Rasters Φ_ηίη und Φπ,αχ, 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 jedes Prisma des Lichtablenkers durch ein Prisma des Wollaston-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 als ordentlicher Strahl und wird im 2. Teilprisma als außerordentlicher Strahl gebrechen 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 Φ_€ι ist, eine zweite Forderung für den Anschlußwinkel bei einer zweiten Wellenlänge erfüllt werden soll, wird eine zweite Variable benötigt.

Nach F i g. 2 ist die Ebene, in der die optische Achse OA liegt, normal zur Systemachse SA vorgegeben, die geometrische Lage des Prismas P allerdings nicht. Daher kann als zusätzliche Variable das Verhältnis der Winkel <xi/«₂ genutzt werden.

Weiden die beiden äußersten Richtungen des z. B. auf Prisma Pq (Fig.3) einfallenden Rasters als fest vorgegeben, kann der Gesamtwinkel «1 + λ₂ für verschiedene Verhältnisse

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

ft, + <\,2

abhängt. Betrachtet man als Beispiel einen für rotes Licht (647 nm) berechneten Prismensatz mit λι = 4,5' und Φ ei — 0,00014 (im Bogenmaß) dann gibt es eine Stelle

*'■ - 0,515,

wo iw(Blau) den Sollwert für Blau hat. Nun kann man

mit dem so gefundenen neuen Prisma P₉ die äußersten Winkel, die hinter dem folgenden Prisma Pi₀ den Anschlußwinkel ergeben, ermitteln und wiederholt diese Ermittlung für das Prisma Ρίο. Es kann so ein neuer Prismensatz ermittelt bzw. errechnet werden, der keine Aberrations-Dispersion mehr zeigt.

Nach F i g. 3 besteht ein solcher von einem Strahl des digitalen Lichtablenkers L durchsetzter Prismensatz z. B. aus den hintereinander angeordneten Prismen Pi... Pio, von denen die Prismen Pi ... P₇ rechtwinklig sind und das Prisma Pi etwa einen Prismendachwinkel von 4,5' hat, der sich von Prisma zu Prisma verdoppelt. Die optische Achse OA des Prismas liegt parallel zur den Laserstrahl aufnehmenden Fläche des jeweiligen Prismas, so daß hier der Winkel «i Null und der Winkel «2 gleich dem Prismenwinkel ist. Bei dem Prisma P₈ beträgt das Verhältnis der beiden Winkel etwa 2/3.

Dabei ist die den Laserstrahl aufnehmende Prismenfläche entsprechend zur Systemachse SA geneigt. Bei dem Prisma Pg mit gegenüber Prisma Pe verdoppeltem Prismawinkel beträgt das Winkelverhältnis ca. 3/4 bei entsprechender Neigung der Prismenflächen, während das Prisma Pio, wie vorher erläutert, »auf dem Kopf steht« und sein Winkelverhältnis αι/«2 wieder etwa 2/3 ist. Die zwischen den Prismen vorhandenen Polarisationsschalter sind der Einfachheit halber weggelassen

ίο worden.

Eine Berechnung der Winkelraster in den Zwischenfarben Grün (521 nm) und Gelb (568 nm) zeigt, daß auch hier und damit praktisch für das gesamte sichtbare Spektrum die Aberrations-Dispersion bis auf Abwei chungen kleiner als 0,3% des Elemenarwinkels korrigiert ist.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Digitaler elektro-optischer Lichtablenker zur Erzeugung eines Punktrasters, mit einem Satz doppelbrechender Ablenkprismen, bei dem sich der Prismenwinkel der einzelnen hintereinander angeordneten Prismen von einem zum nächsten jeweils verdoppelt, sowie mit einem Satz von Polarisationsschaltern zur wahlweisen Drehung der Polarisationsrichtung um 90°, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den beiden den Prismenwinkel einschließenden Prismenflächen und der senkrecht zur optischen Achse des Systems und senkrecht zur Prismenkante stehenden optischen Kristallachse eingeschlossenen zvei Teilwinkel «ι und Λ2 jedes Prismas, das einen größeren Prismenwinkel als 5° aufweist, ein Verhältnis zwischen 2 :3 und 3 : 4 zueinander haben, wobei <x\ der der Lichtquelle zugewand:e, «2 der von ihr abgewandte Teilwinkel ist.

2. Lichtablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen mit einem Prismenwinkel bis zu 5° rechtwinklige Prismen sind, deren optische Kristallachse in der der Lichtquelle zugewandten Prismenfläche und senkrecht zur Systemachse liegt.