DE2354892C3

DE2354892C3 - Digitaler elektro-optischer Lichtablenker mit doppelbrechenden Ablenkprismen

Info

Publication number: DE2354892C3
Application number: DE2354892A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl.-Phys. 2359 Henstedt-Ulzburg 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: 1978-05-11
Also published as: SE393194B; DE2354892B2; GB1483296A; US3976360A; DE2354892A1; NL7414091A; CA1017981A; SE7413633L; FR2250123A1; JPS5080149A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen digitalen elektro-optischen 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°.

Ein derartiger aus der DE-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 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 Prismenwinkel einen bestimmten Wert haben. Bei kleinen Prismenwinkeln ist dies ausreichend genau angegeben, wenn sich die Prismenwinkel 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 Ablenklichtstrahlen unterschiedlicher Farbfrequenzen schwenkt das Gesamtraster bei Wellenwechsel von einer Farbe zur anderen, ü. 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 Aufspaltwinkel für blaues Licht zwar nur etwas größer als der für rotes Licht isi, 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 -aufv/eitung 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 .ίο 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 mitiels bekannter Technik durch speziell farbkorrigierende Abbildungslinsen 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 <x\ und Λ2 jedes Prismas, das einen größeren Prismenwinkel als 5° aufweist, ein Verhältnis zwischen 2 :3 und 3 :4 zueinander haben, wobei tx,\ der der so Lichtquelle zugewandte, 0.2 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 Teilwinkein,

F i g. 3 einen kompletten Prismensatz.

Nach Fig. 1 hat der aus drei Prismen Pi, /*>■ Pz bestehende Ablenker das erste Prisma den kleinsten Prismawinkel <%i und einen Aufspaltwinkel <P_Ck der als fts Elementarwinkel des Winkelrasters bezeichnet wird. Dies ist der Winkel zwischen jeweils zwei benachbarten Richtungen η, /2 im Gesamt-Richtungsraster. Das Raster hinter dem ersten Prisma P₁, bestehend aus den

beiden Richtungen η, r>, wird jetzt in dem zweiten Prisma Pi mit dem Winkel «n verdoppelt, so daß das Richtungsraster nun aus vier Richtungen r_h r₄, r%, r_b besteht. Damit diese vier Richtungen gleichen Winkelabstand zueinander haben, muß der Prisme-rwinkel *n ^ einen bestimmten Wert haben. Wenn der Wert zwischen den beiden Teilrastern aus je zwei Richtungen mit Φ·ι bezeichnet wird, muß der Winkel an so berechnet sein, daß der Winkel φ" ι exakt gleich Φ,,/ ist. Bei kleinen Prismen winkeln ist dies ausreichend genau ι ο gegeben, wenn der Prismawinkel <*n gleich 2 a\ ist. Bei größeren Prismenwinkeln treten Aberrationen auf, und der Gesamtwinkel des Rasters ist kein ganzzah'iges Vielfaches vom Aufspaltwinkel Φ ^ mehr. Man könnte zwar einen Prismenwinkel angeben, der die als Beispiel is erwähnte Aberration nicht zeigt, dann wäre aber der Anschlußwinkel bei der Rasterverdopplung durch dieses Prisma nicht genau gleich dem vorgegebenen Aufspaltwinkel Φ,,α Der Anschlußwinkel hinter einem Prisma wird von den äußersten Richtungen des in dieses Prisma einfallenden Rasters erzeugt, z. B. in der Fig.! η und r_b für das Prisma Py.

Die einzelnen Richtungen des Lichtstrahl-Richtungsrasters werden durch drei Brechungsindizes, den ordentlichen (n_o), den außerordentlichen Index (n_m>) und den Brechungsindex des umgebenden Mediums (z. B. Nitrobenzol) bestimmt. Diese drei Indizes zeigen die übliche Wellenlängenuispersion, 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 Δη_Μ, und Δη_ο maßgebend. Damit ergeben sich die Dispersionseffekte, die bewirken, daß das Gesamtraster 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,™,, und Φ™, geben die jeweils äußersten Rasterrichtungen nach jedem Prisma an. Ein Vergleich von Φ mm und <Z>ma» für rotes und blaues Licht zeigt die erwähnte Verkippung des Gesamtrasters: die Φ™»- Werte beim blauen Licht sind größer, die Φ,η,η-Werie dagegen kleiner als die entsprechenden Werte für rotes Licht. Das stimmt zumindest für die Rasterwinkel hinter den Prismen P₁... Pq(F ig. 3). Hinter dem 10. Prisma P_w kann dieser Effekt schon korrigiert werden, und zwar dadurch, daß das 10. Prisma /Ίο 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\ ... Pq 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 Pi₀ ist, wird so die unterschiedlich starke Dispersion von n_o und η_Μ nahezu kompensiert.

Neben dieser dispersiven Änderung der Absolutlage des Gesamtrasters verändert sich aber auch noch der relative Aufspaltwinkel. Die Summe von <P_m/„ und Φ,_Μι wie auch der Aufspaltwinkel Φ_€ι ist für blaues Licht ho 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 Teilraster auch infolge der Aberrationen t? 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 größer. Bei den großen Prismenwinkeln mit stärker werdenden Aberrationen ist aber der exakte Anschluß der Teilrasier nicht mehr automatisch gegeben. Der Anschlußwinkel ist die Stelle im Richtungsraster, an der sich die Aberrationen am stärksten auswirken, da der Anschlußwinkel bei der Rcsterverdopplung durch ein Prisma immer gerade von den beiden äußersten Richtungen r₃, r_t bzw. n, r_t des einfallenden Rasters Φ_η,_ιη 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 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 gebrochen und umgekehrt. Damit könnte die Aberration-Dispersion zwar auch schon korrigiert werden, aber hierbei wini die Anzahl der Prismen pro Lichtabltnker 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 Lichiwellenlänge der Anschlußwinkel gleich dem Elementarwinkel Φοί ist, eine zweite Forderung für den Anschlußwinkel bei einer zweiten Wellenlänge erfüiit werden soll, wird eine zweite Variable benötigt.

Nach Fig.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 «i/«2 genutzt werden.

Werden die beiden äußersten Richtungen des z. B. auf Prisma P9 (Fig. 3) einfallenden Rasters als fest vorgegeben, kann der Gesamtwinkel »1 + <x? für verschiedene Verhältnisse

»1 + *2

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

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

"' = 0.515.

wo Φ _t.; (Blau) den Sollwert für Blau hat. Nun kann man

mit dem so gefundenen neuen Prisma A die äußersten Winkel, die hinter dem folgenden Prisma /Ίο den Anschlußwinkel ergeben, ermitteln und wiederholt diese Ermittlung für das Prisma /Ίο. 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 /Ί... /Ίο, von denen die Prismen P] ... Pj rechtwinklig sind und das Prisma P\ 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 «ι Null und der Winkel ot.2 gleich dem Prismenwinkel ist. Bei dem Prisma P₈ beträgt das Verhältnis der beiden Winkel etwa 2/3.

Dabei ist die den Laserstrahl aufnehmende Prismenflä ehe entsprechend zur Systemachse SA geneigt. Bei derr Prisma Pt mit gegenüber Prisma P* verdoppelten Prismawinkel beträgt das Winkelverhältnis ca. 3/4 be

s entsprechender Neigung der Prismenflächen, währenc das Prisma /Ίο, wie vorher erläutert, »auf dem Kop steht« und sein Winkelverhältnis t\\ln.i wieder etwa 2/'. ist. Die zwischen den Prismen vorhandenen Polarisa tionsschalter sind der Einfachheit halber weggelasser

ίο worden.

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

Hierzu I Blatt Zc ich im η nc 11

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 zwei Teilwinkel oii und &2 jedes Prismas, das einen größeren Prismenwinkel als 5° aufweist, ein Verhäitnis zwischen 2 :3 und 3 :4 zueinander haben, wobei «i der der Lichtquelle zugewandte, a.2 der von ihr abgewandte Teilwinkel ist.

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