DE2639556C2 - Optische Fokussiereinrichtung und damit ausgerüsteter optischer Leser - Google Patents

Optische Fokussiereinrichtung und damit ausgerüsteter optischer Leser

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Description

Die Erfindung betrifft eine optische Fokussiereinrichtung mit einem in dem Strahlengang angeordneten optischen Element, das eine durch elektrische Steuerung des Brechungsindex veränderliche Vergenz aufweist.
Beim optischen Lesen von mit hoher Dichte aufgezeichneter Information ist eine genaue Fokussierung des Lichtbündels auf der auszulesenden Spur erforderlich. Üblicherweise geschieht die Fokussierung durch mechanische Verschiebung eines Objektivs der optisehen Leseeinrichtung, wobei die Fokussierungsfehler durch die mechanische Verschiebung des Objektivs ausgeregelt werden.
Da eine mechanische Verschiebung von Projektionsobjektiven nur relativ träge erfolgen kann und hierfür ein aufwendiger Mechanismus erforderlich ist, wurden bereits Fokussiereinrichtungen vorgeschlagen, die auf der Anwendung von elektrooptischen Effekten beruhen (US-PS 33 09 163). Als steuerbares Element enthalten derartige Fokussiereinrichtungen eine Scheibe aus ei-
nem Material, in dem eine Änderung des Brechungsindex durch ein starkes elektrisches Feld erzeugt werden kann. Diese Scheibe ist mit ringförmigen konzentrischen Elektroden versehen, die paarweise einander gegenüberliegend auf den beiden Hauptflächen angeordnet sind. Zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden eines Elektrodenpaares werden gesteuerte Spannungen angelegt, durch die der Brechungsindex des Materials derart beeinflußt wird, daß konzentrische ringförmige Bereiche von unterschiedlichem Brechungsindex erzeugt werden, so daß die Anordnung als Fresnel-Linse wirkt. Diese Anordnung ist aber sehr aufwendig, da Steuerspannungen in der Größenordnung von 2000 V erforderlich sind und diese Steuerspannun gen über ein kompliziertes Netzwerk an die verschiedenen Elektrodenpaare angelegt werden müssen.
Aus der US-PS 38 57 629 ist eine Flüssigkristall-Zelle bekannt, die in Verbindung mit zwei gekreuzten Polarisatoren als elektrisch steuerbarer Lichtmodulator wirkt. Als Flüssigkristall wird ein nematisches Material verwendet, dessen Moleküle im Ruhezustand parallel zu den Elektrodenoberflächen der Zelle orientiert sind und durch die an den Elektroden angelegte Steuerspannung um 90° verdreht werden. Je nach Orientierung der Moleküle des nematischen Flüssigkristalls ist die Zelle entweder lichtdurchlässig oder lichtundurchlässig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und rationell herstellbare Fokussiereinrichtung zu schaffen, die für die Anwendung bei optischen Lesern
geeignet ist, welche in großen Stückzahlen gefertigt werden.
Diese Aufgabe wird bei der optischen Fokussiereinrichlung der eingangs angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst
Ein erfindungsgemäßer optischer Leser, bei" dem die optische Fokussiereinrichtung angew-.-ndet wird, ist im Patentanspruch 6 angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeich.iang zeigt
Fi g. 1 ein Schema zur Erläuterung der Betriebsweise der Einrichtung nach der Erfindung,
F i g. 2 eine Linse mit veränderlicher Brennweite, die in der Projektionseinrichtung nach der Erfindung verwendet wird, und
F i g. 3 eine solche Projektionseinrichtung.
Bei der Erfindung wird der Effekt der Brechungsindexänderung eines nematischen Flüssigkristalls bei einer polarisierten, im wesentlichen parallelen Strahlung ausgenutzt, wobei sich diese Änderung ergibt, indem ein elektrisches Wechselfeld parallel zu der Ausbreitungsrichtung der Strahlung angelegt wird, das bestrebt ist, die Moleküle des Flüssigkristalls zum Kippen zu bringen.
Ein externes elektrisches Feld kann nämlich zum Steuern der optischen Kenngrößen eines Flüssigkristallfilms ohne Zerstörung der einkristallinen Anordnung benutzt werden:
Wenn angenommen wird, daß zwischen zwei Wände ein Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie eingefügt ist, können die sich in Form von langgestreckten Spindeln darstellenden Moleküle in einer Richtung Δ parallel zu den Wänden orientiert sein, und zwar durch Reibung an diesen Wänden oder unter dem Einfluß eines grenzflächenaktiven Stoffes, der vorwiegend auf diesen Wänden angeordnet ist (F i g. 1 a).
Die optische Achse des Kristalls, die dem gewöhnlichen Brechungsindex no entspricht, ist zu der Orientierungsrichtung Δ der Moleküle parallel. Wenn die einfallende Strahlung zu den Wänden und somit zu der Richtung der Moleküle senkrecht ist, wie in Fi g. la gezeigt, und in der Richtung Δ polarisiert ist, ist der Brechungsindex des Flüssigkristallfilms im wesentlichen gleich dem maximalen Brechungsindex /Jf des Kristalls. Wenn die Wände jeweils eine lichtdurchlässige Elektrode tragen und wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt ist, kippen die Moleküle des Kristalls und sind bestrebt, sich parallel zu dem Feld E und somit parallel zu der Richtung der Strahlung zu orientieren, wie in Fig. Ib angegeben. Der Brechungsindex, der dann der Strahlung dargeboten wird, ist im wesentlichen der gewöhnliche Brechungsindex O0, wenn das angelegte Feld ausreichend stark ist.
Schließlich, wenn das Feld abgeschaltet wire, sind die Moleküle bestrebt, sich wieder parallel zu den Wänden in der Ausrichlrichtung zu orientieren, die durch die Wände vorgegeben ist, und der Brechungsindex ist bestrebt, wieder zu dem außergewöhnlichen Brechungsindex /7f zu werden. Wenn jedoch die Dicke des Flüssigkristallfilms groß ist, ist der Orientierungseffekt der Wände für die von ihnen entfernten Moleküle schwach, wenn das Feld abgeschaltet ist, und die Zeit, die erforderlich ist, damit der Brechungsindex wieder seinen Anfangswert annimmt, ist groß.
Es ist somit möglich, den Brechungsindex eines optischen Elements mit Hilfe eines elektrischen Signals zu verändern. Zur Veränderung der Position des Brenn-
punktes eines Lichtbündels hat das verwendete optische Element die Form einer lichtdurchlässigen Hohllinse, die aus zwei Wänden, die mittels Zwischenlagen, welche die Dicke der Linse bestimmen, aneinander befestigt sind, besteht und im Innern mit ein^m nematischen Flüssigkristall gefüllt ist. Die Brechungsindexänderung unter der Einwirkung eines elektrischen Signals verursacht eine gleichzeitige Änderung der Brennweite der so gebildeten Linse und somit eine Konvergeiizänderung des Systems, das durch die dem Leseobjektiv einer optische Projektionseinrichtung zugeordnete Linse gebildet ist
In der Praxis ist es zur Erzielung einer Einrichtung mit veränderlicher Brennweite, die den Änderungen eines Fehlersignals folgt, wünschenswert daß die Ansprechzeit dieselbe ist wenn es erforderlich ist die Brennweite zu verringern und dann zu vergrößern.
Das benutzte Produkt wird vorzugsweise eine Flüssigkristallinse sein, die eine dielektrische Anisotropie aufweist, welche in Abhängigkeit von dem an sie angelegten elektrischen Signal veränderlich ist. Gewisse Kristalle besitzen eine solche Eigenschaft: ihre dielektrische Anisotropie ist positiv, wenn das angelegte Feld eine Frequenz /hat die kleiner als eine Bezugsfrequenz fr ist, und ihre dielektrische Anisotropie ist negativ, wenn das angelegte Feld eine Frequenz /hat, die größer als die Bezugsfrequenz fr ist, und zwar bei einer gegebenen Temperatur T. Beispielsweise kann bei T= 25° C die Bezugsfrequenz /rgleich 10 kHz sein.
Eine in der Einrichtung nach der Erfindung benutzte Flüssigkristallinse ist in F i g. 2 im Schnitt dargestellt.
Eine ebene Glaswand 1 und eine sphärische Glaswand 2, die durch eine ringförmige Zwischenlage 3 voneinander getrennt sind, sind innen mit lichtdurchlässigen Elektroden 4 bzw. 5 bedeckt. Diese Elektroden können aus einem Gemisch von Zinnoxid und Indium bestehen, das auf die lichtdurchlässigen Wände durch Katodenzerstäubung aufgetragen worden ist.
Diese Elektroden werden außerdem derart behandelt, daß sich die Moleküle des durch eine Öffnung 6 eingeleiteten nematischen Flüssigkristall parallel zu den Wänden in einer gegebenen Richtung Δ ausrichten. Diese Behandlung kann erfolgen, indem auf die Elektroden ein grenzflächenaktiver Stoff, beispielsweise Siliciummonoxid, im Vakuum und mit einem streifenden Einfall auf den Elektroden aufgebracht wird. Die sich ergebenden Niederschläge 7 und 8 werden bestrebt sein, die Moleküle in der vorgeschriebenen Richtung Δ auszurichten, wenn der Flüssigkristall 9 in das Innere der Linse eingeleitet wird.
Wenn eine Wechselspannung an die beiden Elektroden angelegt wird, werden die Moleküle des Flüssigkristalls parallel zu den Wänden in der Richtung Δ starr festgehalten oder sie kippen, um zu der optischen Achse der Strahlung parallel zu werden, je nach der Frequenz der angelegten Wechselspannung.
Wenn die Polarisation der einfallenden Strahlung zu der Richtung Δ parallel ist. ist der Brechungsindex, den der Flüssigkristall für die einfallende Strahlung aufweist, wenn die Frequenz /größer als die Bezugsfrequenz fr ist, gleich dem außergewöhnlichen Hauptbrechungsindex des Kristalls, und. wenn die Frequenz /kleiner als die Bezugsfrequenz fr ist. nimmt dieser Brechungsindex ab, bis er den gewöhnlichen Brechungsindex nu erreicht, wenn die große Achse aller Moleküle senkrecht zu den Wänden ist. Brechungsindexänderungen Δη von 0,2 können mit Körpern erzielt werden, deren mittlerer Brechungsindex in der Größenordnung von 1,6 liegt.
In Fig.3 ist ein optischer Leser dargestellt, bei wel-
ehern eine Flüssigkristallinse nach der Erfindung benutzt wird. Eine Laserstrahlungsquelle 30 sendet eine linear-polarisierte Strahlung zu einem Doppelbrechungsprisma 31. Das aus dem Prisma austretende Bündel wird mit Hilfe eines reflektierenden Spiegels 32, wobei das reflektierte Bündel im wesentlichen parallel ist, in Richtung einer Flüssigkristallinse 33 der anhand von F i g. 2 beschriebenen Art gerichtet. Diese Linse läßt das Bündel an einem Objektiv 34, bei welchem es sich um ein Mikroskopobjektiv handeln kann, konvergieren. Dieses Objektiv fokussiert das Bündel, das es empfängt, in einem Punkt O einer die Information tragenden reflektierenden Oberfläche 36 eines Informationsträgers 37, nachdem es eine Viertelwellenlängeplatte 35 durchquert hat.
Dieses Bündel wird auf diese Weise durch die Oberfläche 36 reflektiert und durchquert wieder die Viertelwellenlängeplatte 35, das Objektiv 34 und die Flüssigkristallinse 33 und wird durch den Spiegel 32 reflektiert. Nachdem das Bündel zweimal die Viertelwellenlängeplatte 35 durchquert hat, ist seine Polarisation um 90° gedreht. Das Bündel durchquert dann das Doppelbrechungsprisma 31 und tritt, da sich sein Polarisationsvektor geändert hat, aus dem Prisma in einer Richtung aus, die von der Richtung des einfallenden Bündels verschieden ist, das aus der Laserquelle kommt. Das aus dem Prisma austretende Bündel durchquert eine Zylinderlinse 38 und wird von einer Anordnung 39 aus vier Fotodetektorzellen erfaßt, die in der in F i g. 3 dargestellten Weise in einer zu der Strahlung senkrechten Ebene angeordnet sind. Zwei Addierverstärker 40 und 41 sind mit den Ausgängen des einen bzw. des anderen Paares diagonal angeordneter Zellen verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 40 und 41 sind einerseits mit den Eingängen eines Addierverstärkers 42, der das Lesesignal V liefert, und andererseits mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 43 verbunden, der ein Signal B liefert, das für die Einstellabweichung kennzeichnend ist, d. h. für den Abstand zwischen dem Fokussierungspunkt des Lesebündels und der reflektierenden Oberfläche 36 des Trägers 37. Der Ausgang des Differenzverstärkers 43 ist mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler 44 verbunden, der ein Signal E(S) mit konstanter Amplitude liefert, das die Frequenz S = Sr hat, wenn E=O ist, und dessen Frequenz /je nach dem Vorzeichen der Fokussierungsabweichung größer oder kleiner als die Bezugsfrequenz Sr ist. Dieses Wechselspannungssignal mit veränderlicher Frequenz wird an die beiden Elektroden der Flüssigkristallinse 33 angelegt. Auf diese Weise kann sich der Brechungsindex des Flüssigkristalls um einen Mittelwert ändern, der beispielsweise gleich 1,6 ist wobei der Hub Δη bei einem Frequenzhub AS = 2 kHz eiwä 0,2 beträgt. Der Lageregelbereich des Fokussierungspunktes kann auf diese Weise mit einem Leseobjektiv, das eine Brennweite von 6 mm hat, etwa 15 μπι erreichen, wobei die gekrümmte Wand der Flüssigkristallinse einen Krümmungsradius von 25 cm hat Die Ansprechzeit eines solchen Systems beträgt etwa 5 ms.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt Insbesondere können bei der Flüssigkristallinse die Ansprechzeiten des Systems, die mit dem Kippen der Moleküle des Flüssigkristalls verknüpft sind, verringert werden, indem der Linse die Form einer Fresnel-Linse gegeben wird, so daß die Bogenhöhe der Linse und somit die Dicke des Flüssigkristalls geringer ist
Es ist außerdem möglich, einen Flüssigkristall mit negativer dielektrischer Anisotropie zu verwenden. Die Moleküle des Flüssigkristalls werden dann bei Nichtvorhandensein eines Feldes senkrecht zu den Wänden ausgerichtet, indem beispielsweise dem nematischen Gemisch ein geeigneter Dotierungsstoff zugesetzt wird. Bei dem Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes mit veränderlicher Amplitude an die Elektroden kippen die Moleküle, so daß ihre große Achse senkrecht zu dem angelegten Feld wird. Der Brechungsindex des Kristalls, der im Ruhezustand im wesentlichen der gewöhnliche Brechungsindex no ist, strebt in Gegenwart des Feldes zu dem Wert πε-
Andererseits werden bei dem optischen Leser, wenn der in der Linse verwendete Flüssigkristall einen in Abhängigkeit von der Stärke des angelegten Feldes veränderlichen Brechungsindex hat, die Elektroden der Linse eine Trägerwelle empfangen, die durch das Fehlersigna! ^amplitudenmoduliert ist. In diesem Fall ist nämlich der Wert der Amplitude des zwischen den Elektroden aufgebauten Wechselfeldes mit dem Kippen der Moleküle und somit mit der Brechungsindexänderung verknüpft
Schließlich ist es möglich, in dem in F i g. 3 dargestellten optischen Leser die Auswirkungen der Amplitudenänderungen und der Frequenzänderungen zu kombinieren, indem an die Elektroden der Linse ein amplituden- und frequenzmoduliertes Signal angelegt wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Optische Fokussiereinrichtung mit einem in dem Strahlengang angeordneten optischen Element, das eine durch elektrische Steuerung des Brechungsindex veränderliche Vergenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine hohle Glaslinse ist, auf deren Innenwänden zwei lichtdurchlässige Elektroden angeordnet sind, zwischen denen ein elektrisches Feld aufgebaut werden kann, und daß die Linse einen nematischen Flüssigkristall enthält, dessen Moleküle unter der Wirkung des elektrischen Feldes kippen können, wobei sich der Brechungsindex, den der Flüssigkristall auf diese Weise gegenüber der Strahlung aufweist, zwischen dem gewöhnlichen Brechungsindex no und eem außergewöhnlichen Brechungsindex ηε des Flüssigkristalls bei einer Strahlung ändern kann, für die der Brechungsindex an der Eintrittsfläche der Linse Null ist und die in einer zu ihrer optischen Achse senkrechten Richtung (J) linear-polarisiert ist.
2. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse Mittel enthält, welche bei NichtVorhandensein des elektrischen Feldes bewirken, daß die Moleküle des Flüssigkristalls senkrecht zu der Ausrichtrichtung der Moleküle bei Vorhandensein des elektrischen Feldes ausgerichtet sind.
3. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall eine positive dielektrische Anisotropie hat, daß die Mittel aus einer Schicht aus einem grenzflächenaktiven Stoff bestehen, die auf die Elektroden aufgebracht ist und bei Nichtvorhandensein des elektrischen Feldes die Ausrichtung der Moleküle parallel zu den Elektroden der Linse bewirkt, und daß der Brechungsindex des Kristalls durch ein elektrisches Wechselfeld mit veränderlicher Amplitude gesteuert wird.
4. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus einer ebenen Eingangsfläche und aus einer sphärischen Ausgangsfläche gebildet ist, daß die Elektroden aus einem Gemisch von Zinnoxid und Indium bestehen und daß der grenzflächenaktive Stoff auf die Elektroden aufgebrachtes Siliciummonoxid ist.
5. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall eine dielektrische Anisotropie hat, die in Abhängigkeit von der Frequenz des angelegten elektrischen Feldes veränderlich ist, und daß die Moleküle des Kristalls bei Nichtvorhandensein des elektrischen Feldes parallel zu den Elektroden ausgerichtet und in dieser Position bei einem Feld, dessen Frequenz kleiner als eine Grenzfrequenz ist, festgehalten sind, und bestrebt sind, sich bei einem Feld, dessen Frequenz größer als die Grenzfrequenz ist, senkrecht zu den Elektroden auszurichten.
6. Optischer Leser zum Lesen eines beweglichen Informationsträgers mittels einer auf diesen konzentrierten optischen Strahlung, mit optoelektrischen Einrichtungen, die ein Fehlersignal liefern, das zu der Abweichung zwischen dem Träger und dem Fokussierungspunkt der Strahlung proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß er eine optische Fokussiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 enthält und daß das Fehlersignal an einer Steuereinrichtung anliegt, die ein an die Elektroden der Linse
angelegtes Steuersignal liefert, wobei die Brechungsindexänderung eine derartige Verschiebung des Fokussierungspunktes der Strahlung hervorruft, daß die Abweichung im wesentlichen Null ist
7. Leser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine optische Fokussiereinrichtung nach Anspruch 4 enthält und daß die Steuereinrichtung ein Verstärker ist
8. Leser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine optische Fukussiereinrichtung nach Anspruch 5 enthält und daß die Steuereinrichtung ein Steuersignal liefert das durch das Fehlersignal frequenzmoduliert ist
9. Leser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß das Steuersignal durch das Fehlersignal frequenz- und amplitudenmoduliert ist
DE2639556A 1975-09-03 1976-09-02 Optische Fokussiereinrichtung und damit ausgerüsteter optischer Leser Expired DE2639556C2 (de)

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