DE2615173A1 - Elektromechanisches strahlenablenksystem zur steuerung der lage eines lichtpunktes - Google Patents

Description

1. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung, die es ermöglicht einen Lichtstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, abzulenken. Die Ablenkung kann bei der beschriebenen Erfindung in X- als auch in Y-Richtung getrennt erfolgen, die Größe der Ablenkung ist proportional einer angelegten Steuerspannung. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die erzielte Ablenkung linear der Streckenänderung des Abstandes zweier Spiegel, p, folgt. Wird nun noch ein elektrodynamisches oder piezokeramisches Wandlersystem verwendet, dessen Auslenkung linear einer angelegten Spannung erfolgt, so ist die erzielte Ablenkung des direkt proportional der angelegten Spannung. Das vorliegende System zeichnet sich dadurch aus, daß es nicht den Ausfallswinkel eines Strahles in Bezug auf die Nullage verändert, sondern daß es einen Parallelversatz des Strahles hervorruft. Die Größe des Parallelversatzes ist proportional der Bewegungsamplitude und der Systemgröße. Im Gegensatz zu bestehenden Systemen sind die bewegten Massen klein, außerdem werden keine rotierenden Massen verwendet (Spiegelrad, Prismenschraube u. ä.). Das wiederum hat die Folge, daß das Ablenksystem relativ klein bleibt und leicht ist, außerdem ist es produktionstechnisch relativ einfach zu fertigen. Das vorliegende System eignet sich insbesondere in Kombination mit einem Halbleiterlaser zur Anwendung, da dieser in der Lage ist, den erforderlichen dünnen intensiven Lichtstrahl geringer Strahlendivergenz zu liefern. Auch ermöglicht ein derartiger Laser auf einfache Weise eine Intensitätsmodulation über die Steuerung des Betriebsstromes, eventuell auch über einen gepulsten Betriebsstrom, wobei die Länge des Pulses ein direktes Maß für die Helligkeit des Bildpunktes ist.

Mit dem derzeit verwendeten Versuchsmodell ist eine Auflösung eines Bildes mit 600 x 600 Bildpunkten erreichbar, das entspricht in etwa der Auflösung eines Fernsehbildes. Da das konzipierte System Bestandteil eines Laser-Großbildprojektors ist, nun einige grundsätzliche Bemerkungen zu derartigen Geräten. Anschließend dann die theoretische Erklärung der Wirkungsweise des Ablenksystems und die praktische Ausführung desselben.

2. Bisheriger Stand der Entwicklung von Laser-Bildprojektoren:

In der folgenden Arbeit beschäftigen wir uns mit der Entwicklung und Konstruktion eines Laser-Großbildprojektors, der so konzipiert wurde, daß er die Nachteile bestehender Systeme soweit als möglich umgeht.

Das entworfene Gerät soll als Projektor von Farbfernsehbildern oder Oszillogrammen im Großformat geeignet sein. Anlagen zur Projektion von Fernsehbildern sind schon seit längerem bekannt, so die Ediporstysteme [?Eidophorsysteme], die wohl das einzige kommerziell gebräuchliche System darstellen. Bei diesem System wird das Fernsehbild mittels eines Elektronenstrahls auf eine Ölschicht übertragen (Schichtdickenmodulation) und das so entstehende Bild wird mittels einer sehr starken Lichtquelle an die Wand projiziert. Hauptnachteile dieses Systems sind sein hoher Preis (> 80.000 DM für das schwarz-weiß System; > 400.000 DM für das Farbsystem) und seine hohen Betriebskosten infolge der aufwendigen Mechanik und der erforderlichen aufwendigen Kühlung. Außerdem sind Kontrast und Helligkeit des Bildes nur mäßig, infolgedessen ist auch die maximale Größe, auf die sich das Bild projizieren läßt, sehr begrenzt.

Ein neueres System, welches erstmals die Großbildprojektion unter Verwendung eines Lasers als Lichtquelle erzeugte, wurde bei der Weltausstellung in Japan (Osaka 1972) vorgeführt. Bei diesem System dienten drei Laser (rot, grün, blau) als Strahlerzeuger, welche durch Pockelszellen in der Helligkeit moduliert werden; die so erzeugten drei farbigen Strahlen werden nun durch akustooptische Strahlablenker, je zwei für jeden Strahl (einen für die x-Achse, einen für die y-Achse) über die Bildfläche bewegt. Es sind also insgesamt sechs derartige Systeme erforderlich, wobei in diesem Falle die Strahlablenkung über durch Ultraschall hervorgerufene Gasdruckänderungen, die wiederum Änderungen des Brechungsindexes zur Folge haben, hervorgerufen wird. Leider ist die so hervorgerufene

Strahlablenkung nicht linear der angelegten Stellspannung, so daß diese Nichtlinearität durch spezielle Vorverzerrer ausgeglichen werden muß.

Die mit diesem System erzeugten Bilder sind zwar sehr lichtstark und kontrastreich, das System ist aber infolge seiner hohen Kosten (> 10 Mio. DM) nicht als wirtschaftlich zu bezeichnen.

Aus dem Bisherigen ist schon zu entnehmen, welche Probleme (Strahlerzeugung, Modulation und Ablenkung) wir bei dem von uns konzipierten System umgehen wollten, um die Kosten so weit wie möglich zu reduzieren.

3. Anforderungen und Verwendungszweck des entworfenen und vorgeführten Systems

Ein neu zu entwerfendes System sollte also folgende Vorteile gegenüber dem bisher bestehenden haben:

1. möglichst billige Komponenten sollten verwenden werden,

2. die Bildhelligkeit und der Kontrast sollten möglichst gut sein,

3. das System sollte möglichst kompakt sein.

Als Verwendungszweck ist die Projektion von Farbfernsehbildern und Oszillogrammen (z.B. als Demonstration im Unterricht) anzustreben. Das Format des erzeugten Bildes sollte möglichst groß sein. Dies wiederum erfordert eine hohe Lichtleistung. Praktische Versuche ergaben, daß eine Lichtleistung von 0,0003 mW/cm[hoch]2 für ein ausreichend helles Oszillogramm ausreicht, für ein Farbfernsehbild ist eine Lichtleistung von 0,1 mW/cm[hoch]2 und Farbe erforderlich. Für ein Oszillogramm von 50 x 60 cm ist demnach eine Laserlichtleistung von 50 x 60 x 0,0003 mW ungefähr gleich 1 mW zu erbringen, für ein Bild von 2 x 3 m eine Leistung von 18 mW, für ein 2 x 3 m Farbbild ist eine Lichtleistung von 6 W pro Farbe (es sind die drei Lichtfarben rot, grün, blau für die Erzeugung eines Farbbildes notwendig), erforderlich.

Nun sind aber Gaslaserröhren mit einer ausreichend kleinen Strahlendivergenz sehr teuer, so daß uns nur die Anschaffung einer He-Ne-Laserröhre mit 1 mW Lichtleistung möglich war. Das wiederum hat zur Folge, daß wir uns auf den Bau eines Laser-Oszilloscopes beschränken mußten. Die theoretischen Über- legungen zum Systemaufbau gelten aber prinzipiell auch für den Laser-Farbfernsehbildprojektor. Hierzu ist noch zu sagen, daß der Laser als eigentlicher strahlerzeugender Teil - heute noch einer der teuersten Komponenten des Systems - in Zukunft erheblich billiger werden wird, da der Halbleiterlaser nun produktionsreif ist und wohl in näherer Zukunft auf dem europäischen Bauelementenmarkt erscheinen dürfte. Diese Halbleiterlaser sind nicht nur billiger als die bisher gebräuchlichen Gaslaser, sie haben auch einen höheren Wirkungsgrad (15 - 40%) und eine höhere Lichtleistung (10 mW - 10 W). Außerdem vereinfachte sich durch den Einsatz eines Halbleiterlasers die Stromversorgung erheblich, da dieser mit einer Betriebsspannung von 2 V und einem Betriebsstrom von 40 mA bis 10 A arbeitet, außerdem läßt sich bei ihm die Strahlenintensität direkt über den Betriebsstrom regeln. Eine zweite wesentliche Komponente ist die Strahlablenkungseinheit, die ja dafür sorgen muß, daß der Lichtstrahl auf jeden Punkt der Bildfläche gelenkt werden kann. Nun ist aber eine direkte Ablenkung eines Lichtstrahls durch elektrische oder magnetische Felder nicht möglich. Deshalb kann die Strahlablenkung durch elektrische Größen nur indirekt erfolgen, also durch den Umweg über ein Medium (z.B. bei Nitrobenzol durch Drehung der Polarisationsebene im elektrischen Feld), oder unter Verwendung von Spiegeln. Ein System, welches Spiegel benutzt ist dabei vorzuziehen, da es auf jeden Fall billiger und wirtschaftlicher ist. Leider haben alle derzeit benutzten Systeme den Nachteil, daß die erzielte Ablenkung nicht linear der angelegten Spannung ist und daß diese Systeme relativ niedrige Grenzfrequenzen haben.

Aus Kostengründen fiel dementsprechend unsere Wahl auf ein Strahlablenksystem, welches mit beweglichen Spiegeln arbeitet. Bei entsprechend großer Treiberleistung (ca. 35 W) lassen sich bei entsprechend kleiner Spiegelmasse (< 1 g) Ablenkfrequenzen von ca. 25 kHz erreichen.

Verwendet wird ein Spiegelsystem wie in 4. beschrieben, welches einen der Ablenkspannung proportionalen Parallelversatz hervorruft. Es wird je ein derartiges System für die X- und Y-Achse verwendet. Ein mit piezokeramischen Systemen und einem Halbleiterlaser ausgerüstetes Großbildoszilloscop für Schul- zwecke wird wohl Anfang 1977 für weniger als 2 500 DM lieferbar sein, was auch den wirtschaftlichen Vorteil dieses Systems erkennen läßt. Bei einer Verwendung als Oszilloscope in Schulen für Demonstrationszwecke dürfte eine Grenzfrequenz von ca. 100 kHz ausreichend sein, auf eine Intensitätsregelung wird man wohl ebenfalls verzichten können.

4. Funktionsprinzip des Ablenksystems

Im folgenden soll das Funktionsprinzip des eigentlichen Ablenksystems beschrieben werden. Den schematischen Aufbau des Systems zeigt Bild 1. Es besteht aus zwei sich im Abstand p gegenüberliegenden Spiegeln. Beide Spiegel müssen zueinander völlig parallel liegen, d.h. ihr Abstand zueinander muß über ihre gesamte Länge konstant sein. Der Spiegel S1[mit Überstrich] ist fest montiert, so daß er sich nicht bewegen kann. Der Spiegel S2[mit Überstrich] ist auf ein Antriebssystem (in Bild 1 nicht eingezeichnet) montiert, das in der Lage sein muß, S2[mit Überstrich] um den Betrag v2[mit Überstrich] von S1[mit Überstrich] weg und um den Betrag v1[mit Überstrich] auf S1[mit Überstrich] zu zu bewegen. Bei diesen Bewegungen von S1[mit Überstrich] muß der Abstand p in jeder Stellung von S2[mit Überstrich] über die gesamte Länge beider Spiegel konstant bleiben. Zunächst wird angenommen, daß sich S2[mit Überstrich] in Stellung 0, also in Ruhelage befindet. Es wird nun auf den Anfang von S1[mit Überstrich] ein Laserstrahl, unter dem Winkel Alpha, geschickt. Dieser Strahl wird, nach dem Reflexionsgesetz, unter dem Winkel Alpha reflektiert auf S2[mit Überstrich], von dort wird er zurück auf S1[mit Überstrich] reflektiert usw. bis er nach n-maligem Auftreffen auf S2[mit Überstrich] das System am Ende von S1[mit Überstrich] wieder verläßt. Bewegt sich jetzt S2[mit Überstrich] von S1[mit Überstrich] weg nach Stellung 1, so nimmt der Strahl jetzt den in Bild 1 grobgestrichelt gezeichneten Weg. Man kann leicht erkennen, daß der Strahl, wenn er das System verläßt, gegenüber seinem ursprünglichen Weg um einen gewissen Betrag parallel versetzt, also abgelenkt worden ist. Es tritt ebenfalls eine Ablenkung auf, wenn sich S2[mit Überstrich] nach Stellung 2 bewegt, der Strahl nimmt jetzt den in Bild 1 feingestrichelt gezeichneten Weg. Von eigentlichem Interesse ist die Summe der aus den Bewegungen v1[mit Überstrich] und v2[mit Überstrich] resultierenden Ablenkungen. Diese Summe sei a[tief]n[mit Überstrich]. Wie man aus Bild 1 ersehen kann, erfährt der Strahl nach jedem Auftreffen auf S2[mit Überstrich] einen zusätzlichen Parallelversatz. Um die Ablenkung a[tief]n[mit Überstrich] berechnen zu können muß zunächst schrittweise vorgegangen werden. Es wird zuerst die Ablenkung nach dem ersten Auftreffen auf S2[mit Überstrich] berechnet, dann soll versucht werden, eine Gesetzmäßigkeit zu finden, nach der die Ablenkung mit jedem Auftreffen auf S2[mit Überstrich] wächst. Und zwar in Abhängigkeit von v1[mit Überstrich], v2[mit Überstrich], p und dem Winkel Alpha.

Der Übersichtlichkeit halber wurden die Ausschnitte A1[mit Überstrich] und A2[mit Überstrich], die zu den folgenden Berechnungen nötig sind, in Bild 2 4-fach vergrößert herausgezeichnet.

Zuerst wird die Strecke a1[mit Überstrich] (A1 Bild 2) berechnet. Mit a1[mit Überstrich] ergibt sich das Dreieck A - B - C, aus dem a1[mit Überstrich] nach dem Sinussatz berechnet werden kann:

(1) (1.1)

(2)

Nach der Winkelsumme im Dreieck gilt für Gamma: mit sin (90° - Alpha) = cos Alpha erhält man für b: (2.1)

mit (1.1) und (2.1) ergibt sich: (3)

Es folgt die Berechnung von a2[mit Überstrich], dazu dient der Ausschnitt A2[mit Überstrich] auf Bild 2. a2[mit Überstrich] läßt sich aus dem Dreieck D - E - F berechnen:

(4) (4.1)

Die Strecke c läßt sich zerlegen in c1[mit Überstrich] und c2[mit Überstrich]: c = c1[mit Überstrich] + c2[mit Überstrich] (5), wobei c1[mit Überstrich] die Hypotenuse des Dreiecks D1[mit Überstrich] - E - F darstellt. Wie aus Bild 2 zu ersehen ist, ist dieses Dreieck völlig identisch mit dem Dreieck A - B - C1[mit Überstrich]. Also gilt: c1[mit Überstrich] = b (5.1)

Die Strecke c2[mit Überstrich] kann gedeutet werden als diejenige Strecke, um die die beiden Dreiecke A - K - D und B - K1[mit Überstrich] - D1[mit Überstrich] gegeneinander verschoben sind. Diese Strecke taucht auch als die Strecke b auf, daraus folgt: c2[mit Überstrich] = b (5.2)

mit (5), (5.1) und (5.2) ergibt sich für c: (5.3)

mit (4.1) und (5.3) erhält man: Anfang

Ende (6)

Diese Überlegungen lassen sich fortsetzen, bis zum n-ten Auftreffen auf S2[mit Überstrich], wobei die Ablenkung des Strahles bei jedem Auftreffen auf S2[mit Überstrich] um den Betrag a1[mit Überstrich] wächst. Man kann also sagen, daß der Strahl nach n-maligem Auftreffen auf S2[mit Überstrich] um an[mit Überstrich] = n mal a1[mit Überstrich] abgelenkt worden ist. Mit (3) erhält man für an:

an[mit Überstrich] = 2 mal n mal (v1[mit Überstrich] + v2[mit Überstrich]) mal cos Alpha (7)

Es ergibt sich nun die Frage, ob man durch beliebig groß gewähltes n die Ablenkung an beliebig groß werden lassen kann. Betrachtet man in Bild 1 die Strecken u1[mit Überstrich] bis un[mit Überstrich], so kann man erkennen, daß u mit wachsendem n immer kleiner wird. Die Strecke un[mit Überstrich] darf minimal Null werden, da sonst der abgelenkte Strahl (feingestrichelte Linie Bild 1) wieder auf S1[mit Überstrich] auftreffen würde und das System nicht wie vorgesehen verlassen könnte. Es muß also herausgefunden werden, bei welchem n u größer oder gleich Null wird. Es muß dazu eine Funktion u = f (u) aufgestellt werden:

Aus Bild 1 erkennt man, daß sich un[mit Überstrich] schreiben läßt als:

un[mit Überstrich] = w - fn - 1 - fn (7.1) w läßt sich aus dem Dreieck 0 - 01[mit Überstrich] - 02[mit Überstrich] errechnen: (8)

für Gamma gilt: mit (8) und sin (90° - Alpha) = cos Alpha erhält man: (8.1) ergibt sich aus dem Dreieck M - L1[mit Überstrich] - M1[mit Überstrich]: (9)

mit (7) und v2[mit Überstrich] = 0 ergibt sich zu: (10)

Daraus folgt: (9.1)

Entsprechend ergibt sich fn[mit Überstrich] aus dem Dreieck N1[mit Überstrich] - N2[mit Überstrich] - N3[mit Überstrich]: (11)

mit (7) und v1[mit Überstrich] = 0 erhält man für : (11.1)

für fn[mit Überstrich] ergibt sich mit (11) und (11.1): (12)

für un[mit Überstrich] ergibt sich dann mit (7.1), (9.1), (8.1), (12) und Anfang

Ende (13)

Aus (13) kann man dasjenige n errechnen, für das u zu Null wird. Dazu muß die Nullstelle von (13) gesucht werden (oder mehrere).

Folglich gilt: (13)

In der Praxis ist dieser Fall, daß u Null ist, nicht möglich, deshalb muß das System so gebaut werden, daß sich ein solches n einstellt, daß u einen Wert erreicht, der größer als Null ist, aber auch so dicht wie möglich bei Null liegt. In diesem Fall ergibt sich nämlich bei vorgegebenem Winkel Alpha und geeigneter Wahl von p, v1[mit Überstrich] und v2[mit Überstrich] die größtmögliche Ablenkung an[mit Überstrich]. Ergibt sich, durch Berechnung, für n eine nicht ganze rationale Zahl, so muß der gebrochene Anteil von n weggelassen werden.

Es muß jetzt noch geklärt werden, welche Länge die beiden Spiegel S1[mit Überstrich] und S2[mit Überstrich] bei einem gewissen Winkel Alpha, dem Abstand p und den Auslenkungen v1[mit Überstrich], v2[mit Überstrich] haben müssen, damit das System in gewünschter Weise arbeitet.

Wie aus Bild 1 ersichtlich ist, setzt sich die Länge L1[mit Überstrich] von S1[mit Überstrich] aus einzelnen Strecken w zusammen, wobei die Anzahl von w = n - 1 ist. Dazu muß noch die Strecke hinzuaddiert werden: (14)

mit (8.1), (9.1) und (14) erhält man für L1[mit Überstrich]: (14.1) und

mit : (14.2)

Dieser Wert ist jedoch ein theoretischer Wert, in der Praxis wird man am Anfang und am Ende von S1[mit Überstrich] jeweils noch ein Stück hinzufügen müssen, dessen Länge am Anfang von untergeordneter Bedeutung ist, am Ende von S1[mit Überstrich] jedoch den Wert von un[mit Überstrich] nicht übersteigen darf. Ebenfalls aus Bild 1 ergibt sich die Länge L2[mit Überstrich] von S2[mit Überstrich]. Die Mindestlänge von L2[mit Überstrich] muß mindestens w mal (n-1) (15) betragen, was darüber hinausgeht ist für die eigentliche

Funktion ohne Bedeutung. Man sollte S2[mit Überstrich] allerdings so klein wie möglich halten, damit das Antriebssystem so wenig Masse wie möglich zu bewegen braucht.

Für den Mindestwert von L2[mit Überstrich] erhält man mit (8.1) und (15): (15.1)

Betrachtet man sich die Gleichung (7), an[mit Überstrich] = 2 mal n mal (v1[mit Überstrich] + v2[mit Überstrich] ) cos Alpha, so kann man leicht erkennen, daß der Parallelversatz an[mit Überstrich] des Strahles mit der Auslenkung (v1[mit Überstrich] + v2[mit Überstrich] ) linear wächst, d.h. an[mit Überstrich] ist direkt proportional dem Spiegelhub (v1[mit Überstrich] + v2[mit Überstrich] ). Nimmt man also ein Antriebssystem, das einen der angelegten Spannung proportionalen Hub erzeugen kann, ist der Parallelversatz des Strahles direkt proportional der angelegten Spannung. Einen der angelegten Spannung proportionalen Hub können spezielle piezokeramische Kristalle erzeugen, die als Antriebssystem für das oben beschriebene System vorgesehen sind. Die oben gemachten Berechnungen gelten nur für einen idealen d.h. sehr dünnen Laserstrahl. Die Dicke des Strahles sollte deshalb im Ablenksystem einen Durchmesser von etwa 0,01 mm haben. Dies läßt sich sehr einfach durch eine Fokussieroptik erreichen. Die schematische Anordnung von zwei Ablenksystemen für die X- und Y-Ablenkung zeigt Bild 3. Um dieses System für ein Großbildoszilloscope verwenden zu können, ist noch eine Zusatzoptik erforderlich, die in der Lage sein muß, den um einen relativ kleinen Betrag parallel versetzten Strahl so umlenken zu können, daß er einen genügend großen Bereich überstreichen kann. Dies leistet jede Projektoroptik. Die durch sie hindurchgehenden parallelen Lichtstrahlen werden von ihr so umgelenkt, daß die Lichtstrahlen auf einem Schirm ein vergrößertes Bild des Urbildes, in unserem Falle des Bildes nach dem Parallelversatz, ergeben. Dadurch wird allerdings auch der Bildpunkt des Laserstrahles im gleichen Maße mitvergrößert. Deshalb ist es im Interesse der Bildauflösung, die ja um so besser ist, je kleiner der einzelne Bildpunkt ist, sinnvoll, den Strahl innerhalb des Ablenksystems zu fokussieren, damit er beim Eintritt in die Projektionsoptik möglichst dünn (0,005 mm) ist. Man sollte allerdings so wenig Linsen wie möglich, und auch nur entspiegelte verwenden, um den optischen Wirkungsgrad so hoch wie er- reichbar, (ca. 55%) zu bekommen. Auch ist die Polarisationsebene des Laserlichtes zu berücksichtigen, sie sollte durch Drehung des Lasers um seine Längsachse so gewählt werden, daß die Totalreflexion an den Spiegeln (Brewester-Winkel) so gut wie möglich wird. Zur Vermeidung von ausgeprägten Eigenresonanzen empfiehlt es sich allerdings, die auf den Piezokristallen montierten Spiegel möglichst stark zu dämpfen und das eigentliche Ablenksystem zu evakuieren.

Die Evakuierung des eigentlichen Strahlenablenksystems hätte außerdem den Vorteil, daß keine Staubteilchen auf die Spiegel gelangen können, welche die Funktion stark beeinträchtigen würden.

Auch die Übertragung der Spiegelbewegungen (Spiegelschwingungen) auf die umgebende Luft (Schall) würde entfallen.

Nun zur praktischen Ausführung dieses Ablenksystems. Die Rahmenkonstruktion, an der der feststehende und bewegliche Spiegel befestigt werden, wird aus einem Metallklotz gefräst (siehe Bild 5). Der feststehende Spiegel wird direkt auf die eine Seitenwand des inneren Kanals geklebt (mit Zwei-Komponenten-Epoxydharz-Klebstoff), der andere Spiegel wird auf den Piezokristall geklebt, dieser wiederum ist elektrisch kontaktiert und mit zwei Anschlußdrähten versehen. Rechts und links neben dem Piezokristall werden zwei kleine Würfelchen Silicongummi auf den Spiegel montiert. Diese Anordnung wird nun in ein V-förmiges Metallklötzchen geklebt, welches in den größeren Metallklotz eingeschraubt wird. Dieses kleine Metallklötzchen ist mittels einer Stellschraube so zu justieren, daß sich die beiden Spiegel parallel gegenüberstehen. Dann wird der Deckelklotz auf das System aufgeklebt. Anschließend werden die Öffnungen der Strahlenkanäle in dem so erhaltenen würfelförmigen Klotz mit optischen Fenstern (aufgeklebten entspiegelten Quarzglasplatten) versehen. Anschließend werden die Kanäle im Klotz durch eine kleine Bohrung evakuiert, die Bohrung wird anschließend mit Gießharz verschlossen. Das so erhaltene Ablenksystem für eine Achse wird mit einem zweiten gleichartigen um einen gewissen Winkel gedrehten Ablenksystem kombiniert (etwa wie in der Prinzipzeichnung Bild 4 dargestellt).

5. Verwendungsmöglichkeiten des Ablenksystems:

Das von uns praktisch ausgeführte System entsprechend dem in 4. erklärtem Prinzip wurde als X-Y-Ablenksystem für ein Lasergroßbildoszilloscope verwendet.

Das in seinen Anfängen vorgeführte Großbild - Oszilloscope ist insbesondere für den Einsatz als Demonstrationsgerät in Schulen und Universitäten gedacht, um bei den Versuchen zum Verständnis der Elektrizitätslehre die sich ergebenden Oszillogramme im Großformat an die Wand zu projizieren. Auf diese Weise lassen sich die zu zeigenden Oszillogramme auch den Schülern in den hinteren Reihen gut erkennbar zeigen. Es ist allerdings sehr sinnvoll, für diesen Zweck ein 2-Strahl-Oszilloscope zu entwickeln, da ein derartiges Gerät zum Vorführen vieler Versuche sehr hilfreich ist. Technisch läßt sich das verwendete Gerät sehr leicht zu einem echten 2-Strahl-Oszilloscope erweitern, es sind dazu allerdings zwei Laser, 4 Ablenkverstärker und 2 xy-Strahlenablenksysteme erforderlich, was das System allerdings verteuert. Ungeeignet ist das System allerdings zur oszillographischen Darstellung sehr schnell ablaufender Vorgänge, da ja die maximale Ablenk-Grenzfrequenz dadurch begrenzt wird, daß ein Spiegel mit einer endlichen Masse m1 bewegt werden muß, wozu die Energie (E = 1/2 m[tief]1 v[hoch]2; v = [Spiegelhub h mal Ablenkfrequenz f]), ,

erforderlich ist. Das wiederum zeigt, daß die Ablenkfrequenz im Quadrat in die erforderliche Energie zur Strahlenablenkung eingeht, während die Spiegelmasse m[tief]1 nur linear eingeht, so daß man durch Halbierung der Spiegelmasse die Grenzfrequenz nur um den Faktor steigern kann.

Die Darstellung schneller Vorgänge läßt sich bei dem beschriebenen System nur dadurch verwirklichen, daß man die Eingangsbildinformation in Originalzeit in digitale Informationen zerlegt, und diese in einen schnellen Halbleiterspeicher einliest. Aus diesem kann man dann die Information so verlangsamt wieder auslesen und in die analoge Ausgangsinformation zurückwandeln, daß auch ein mit bewegten Spiegeln arbeitendes System in der Lage ist, das Bild wiederzugeben. Ein Laser-Oszilloscope hat allerdings den Vorteil, daß das entstehende Bild sich infolge der hohen Lichtstärke direkt auf billiges Photopapier übertra- gen läßt, was bei konventionellen Oszilloscopen nicht möglich ist.

6. Weitere Anwendungsbereiche ähnlicher Systeme

Laserbildprojektoren lassen sich in einer Vielzahl von Fällen vorteilhaft einsetzen. Voraussetzung für den Einsatz zu anderen Zwecken als als Oszilloscope ist allerdings - wie zuvor schon erwähnt -, daß als Lichtquellen Laser mit höherer Ausgangsleistung zur Verfügung stehen. Da die in Zukunft zu erwartenden Halbleiterlaser diesen Anforderungen entsprechen, und auch erheblich billiger als die heutigen Lasersysteme sind, bieten sie sich für derartige Verwendungszwecke geradezu an. So ließe sich z.B. mit 3 von derartigen Lasern und einem Ablenksystem wie in 4. beschrieben, ein Farbfernsehbild im Großformat an eine Wand projizieren. Das kann entweder dadurch geschehen, daß man die drei Laser getrennt mit je einem xy-Ablenksystem über die Bildfläche lenkt oder aber die 3 Laserstrahlen mittels teildurchlässiger Dünnschichtspiegel zu einem Mischlichtstrahl vereinigt und diesen dann mit einem xy-Ablenksystem über die Projektionswand bewegt. Die zweite Möglichkeit ist die ohne Zweifel billigere, allerdings ist der optische Wirkungsgrad eines derartigen Systems schlechter als der des zuvor erwähnten.

Die zur Darstellung eines Fernsehbildes erforderliche Intensitätsmodulation der drei einzelnen Lichtquellen kann beim Halbleiterlaser über eine Modulation des Betriebsstromes erfolgen, oder aber man kann den Halbleiterlaser mit einem gepulsten Betriebsstrom betreiben, und dabei indirekt über eine Änderung des Impuls-Pause-Verhältnisses eine Intensitätsänderung des emittierten Lichtstrahles erreichen.

Eine weitere wesentliche Verwendungsmöglichkeit eines Strahlenablenkungssystems wie in 4. beschrieben wäre der Einsatz einer derartigen Ablenkeinheit, um den Strahl eines Materialbearbeitungslasers zum Abgleich von Dick- und Dünnschichtschaltungen zu positionieren. Da es bei derartigen Anwendungen auf Positionierungsgenauigkeiten im Bereich von Gamma m ankommt, andererseits aber der gesamte zu überstreichende Bereich nur wenige mm[hoch]2 groß ist, ist ein System wie in 4. beschrieben optimal geeignet, weil es absolute Linearität garantiert und in diesem Falle sogar ohne Optik auskommt.

Bei den bisherigen Geräten zum Laserabgleich von integrierten Schaltungen, Dick- oder Dünnschichtschaltungen wird entweder das Werkstück mitsamt der erforderlichen Einspannvorrichtung bewegt oder aber es wird eine komplizierte Optik vor dem Laser bewegt. In beiden Fällen ist die bewegte Masse relativ groß, dementsprechend gering ist die erreichbare Arbeitsgeschwindigkeit (> 2 sek/St.), so daß auf diese Weise gefertigte Bauelemente entsprechend teuer sind. Das aber steht einem Masseneinsatz derartiger Bauelemente im Wege. Bei Einsatz eines Ablenksystems wie in 4. beschrieben, könnte die Abgleichzeit etwa auf ein Hundertstel des derzeitigen Wertes reduziert werden. Das wiederum würde die Produkte verbilligen und somit zu ihrer weiteren Verbreitung beitragen. Darum dürfte die wirtschaftliche Bedeutung eines derartigen Strahlenablenksystems zuerst auch auf diesem Gebiet liegen, weil sein Einsatz hier mit geringem Aufwand zu sehr großen Verbesserungen führen wird.

Claims (6)

1. Strahlablenksystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkung dadurch bewerkstelligt wird, daß ein infraroter, sichtbarer oder ultravioletter Lichtstrahl in eine Anordnung, bestehend aus zwei parallelen, im Abstand p>0 oder sich in einem Winkel Delta : 0° </= Delta < 90° zueinander gegenüberstehende Spiegel oder Reflexionsplatten, unter einem Winkel Beta , 0° </= Beta < 90°, in Bezug auf die Reflexionsebene geschickt wird, so daß durch eine Änderung des Spiegel- oder Reflexionsplattenabstands p um die Strecke v ein Parallelversatz des austretenden Strahles erreicht wird.

2. Strahlablenksystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Spiegel- oder Reflexionsflächenabstands p durch Bewegung eines Spiegels oder anderer reflektierender Objekte, mit einer Bewegungskomponente in Richtung von p durch elektrostatische, elektromechanische, hydraulische, akustische oder thermische Kräfte oder durch die Kombination mehrerer der oben genannten Kräfte, zum Zwecke der Strahlablenkung, erfolgt.

3. Strahlablenksystem, konstruktiv entsprechend 1. und 2. aufgebaut, geeignet für einen Laserbildprojektor, Licht oder UV- oder IR-Strahlenprojektor, zur Darstellung von Bildern, Schwarz-weiß- oder Farbfernsehbildern, Oszillogrammen, Texten, Graphiken oder anderen Symbolen, oder eine Kombination mehrerer der oben genannten optischen Informationselemente, unter Verwendung eines oder mehrerer der in 1. und 2. beschriebenen, hintereinander und im Strahlengang angeordneter, insbesondere in unterschiedlichen Winkeln Gamma : 0° < Gamma < 180°, der Spiegel- oder Reflexionsplattenebenen zueinander stehender Ablenksysteme, um einen oder mehrere Bildpunkte in einer Ebene bewegen zu können.

4. Strahlenablenksystem, konstruktiv entsprechend 1., 2., 3., geeignet zur Steuerung des Strahlenauftreffpunktes von Materialbearbeitungslasern, besonders von solchen zum Abgleich von integrierten Schaltungen, Dünn- und Dickschichtschaltungen.

5. Strahlenablenksystem, konstruktiv entsprechend 1., 2., 3., wobei aber ein Spiegel oder eine Reflexionsplatte direkt auf irgendein Teil montiert ist, gedacht zur direkten Aufzeichnung der Bewegung des entsprechenden Teiles.

6. Strahlenablenksystem, konstruktiv entsprechend 1., 2., 3., geeignet zum Einschreiben, Auslesen und Löschen von Informationen auf einen Informationsträger, insbesondere auf Mikrofilm, oder in Hologrammspeichern.