DE2643593C2 - Abtastvorrichtung für eine zweidimensionale Lichtabtastung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung mit mehreren auf einem rotierbaren Hologrammträger entlang dem Umfang aufeinanderfolgend angeordneten Hologrammen, die nur zu einem kleinen Bereich ausgeleuchtet sind und während der Rotation zu einer Schwenkbewegung des rekonstruierten Objektstrahls führen.

So ist beispielsweise ein Lichtstrahlablenksystem bekannt, bei dem eine rotierende Scheibe am Umfang eine Anzahl eindimensionaler Streifenmuster mit variabler Steigung aufweist. Diese Streifenmuster werden durch einen parallelen, kohärenten Lichtstrahl durch eine Zylinderlinse auf eine in der Ebene der Scheibe durch deren Mittelpunkt hindurchgehende Achse in der Weise abgebildet, daß die Richtung des darin konvergierenden Lichtstrahls mit der Normalen auf diese Achse zusammenfällt. Der dabei entstehende Ablenkwinkel entspricht dem Winkel zwischen Signalstrahl und Bezugsstrahl. Bei Rotation der Scheibe ändert sich dieser Winkel zyklisch und liefert damit nach Durchgang durch eine weitere Zylinderlinse aufeinanderfolgend zueinander parallele Abtaststrahlen. Dies ist eine eindimensionale Abtastung.

Bekannte Abtastvorrichtungen können bei relativ hoher Abtastgeschwindigkeit meist nur in einer Dimension abtasten. Die Abtastung in einer zweiten Dimension erfolgt dann jedoch bei einer relativ geringen Abtastgeschwindigkeit. Beispielsweise benutzt eine bekannte Abiastvorrichtung einen rotierenden Spiegel, der in einer Dimension eine relativ hohe Abtastgeschwindigkeit liefert. Ein oszillierender Spiegel ist so angeordnet, daß er die Abtastzellen in einer Richtung senkrecht zur Richtung der schnellen Abtastung einzustellen vermag und diese Abtastung erfolgt bei relativ kleiner Abtastgeschwindigkeit Versuche, derartige Abtastvorrichtungen zu verbessern, gaben immer kompliziertere Anordnungen und in manchen Fällen war es erforderlich, zwischen zwei und mehr Komponenten der Abtastvorrichtung eine Synchronisation vorzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abtastvorrichtung für einen Lichtstrahl über einen vorgegebenen zweidimensionalen Bereich zu schaffen.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einer Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß d^;e Hologramme und die darauf gerichtete Welle so beschaffen sind, daß sich beim bereichsweisen Ausleuchten eines jeden Hologramms im Abstand der Brennebene hinter dem Hologramm entsprechend abschnittweise eine Brennlinie bildet, die in einem Winkel (α) gegenüber der Längsrichtung des Hologramms geneigt ist, und daß die Ausleuchtung des kleinen Bereichs (ABCD) eines jeden Hologramms mit einem solchen auftreffenden Strahl erfolgt daß der Strahl nach Durchgang durch das Hologramm zu einem Punkt auf der Brennlinie konvergiert, und daß zur Erzielung einer zweidimensionalen Abtastung das das Hologramm beleuchtende System ebenfalls, und zwar mit geringerer Geschwindigkeit, um die gleiche Rotationsachse drehbar ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 schematisch eine Draufsicht auf die Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 schematisch eine Schnittansicht längs der Linie 2-2in Fig. 1,

Fig.3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines die Abtastvorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 verwendenden Aufzeichnungssystems,

Fig.4 ein Diagramm zur Darstellung der geometrischen Verhältnisse bei der Bildung eines ebenen Hologramms,

F i g. 5 ein Diagramm zur Darstellung der geometrischen Verhältnisse bei der Wiederherstellung der Brennpunktlinie des in Fig.4 gebildeten Diagramms und

F i g. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Wiederherstellung eines Punktes und der Ablenkung des so wiederhergestellten Punktes für ein Hologramm, das gem. F i g. 4 gebildet wurde.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung

In F i g. 1 beseht die Lichtabtastvorrichtung aus einem holographischen Zylinder 10, auf dessen Oberfläche eine Anzahl von Hologrammen 12a, 12f> ... 12/? aufgezeichnet ist. Eine optische Einrichtung 18 erzeugt einen Lichtstrahl, der auf den holographischen Zylinder 10 gerichtet wird und damit einen rekonstruierten Strahl erzeugt. Die optische Einrichtung 18 besteht aus einem Laser 16, der einen kollimierten Lichtstrahl 14 erzeugt. Der Strahl 14 trifft dabei auf eine den Strahl formende und ablenkende Vorrichtung 19 auf, die nunmehr einen

divergierenden Lichtstrahl 20 auf den holographischen Zylinder 10 lenkt, um dabei einen rekonstruierten konvergierenden Strahl 22 zu erzeugen. Ein Antrieb, wie z. B. ein Motor 24, ist über eine mechanische Kupplung 23 (in F; g. 2 gestrichelt eingezeichnet) mit dem holographischen Zylinder 10 gekuppelt und rotiert diesen um die Zylinderachse, so daß der divergierende Strahl 20 aufeinanderfolgende Hologramme 12 ausleuchtet Dadurch wird aber ein rekonstruierter Strahl 22 erzeugt, der eine linienförmige Abtastung unter einem Winkel gegen die Rotationsebene des Zyünaers 10 liefert Der Antriebsmotor 24 ist außerdem durch eine entsprechende mechanische Kupplung 25 (in der Zeichnung gestrichelt angedeutet) mit der optischen Einrichtung 18 gekuppelt und rotiert diese um die Achse des Zylinders 10. Falls gewünscht kann für diesen Antrieb der optischen Einrichtung 18 auch ein gesonderter Motor, wie z. B. ein Schrittschaltmotor, vorgesehen sein. Dadurch wird bewirkt, daß der rekonstruierte Strahl 22 bei einer unterschiedlichen Azimut-Position und wegen der Rotation der optischen Einrichtung 18 in der Weise erzeugt wird, daß jeder Punkt auf dem Bildzylinder in einer kurzen Zeitspanne erreicht wird.

Der holographische Zylinder 10 besteht dabei aus waagerechten Trägern 26, die einen transparenten Zylinder 28 tragen. Der Zylinder 28 besteht vorzugsweise aus Glas und ist auf seiner inneren Oberfläche mit einem Photopolymeren beschichtet. Selbstverständlich könnte das Photopolymere auch auf der äußeren Oberfläche des Glaszylinders aufgebracht sein. Auf dem Zylinder ist eine Anzahl von Hologrammen aufgezeichnet. Diese Hologramme sind Volumenphasenhologramme, so daß ein hoher holographischer Wirkungsgrad erzielt wird, wobei die Anzahl η der aufgezeichneten Hologramme entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit des Zylinders 10 und der erforderlichen Anzahl von Abtastzellen gewählt ist In einem typischen Anwendungsgebiet wird der Zylinder 10 mit einer hohen Geschwindigkeit von z.B. 12 000 Umdrehungen pro Minute gedreht.

Das Prinzip der Arbeitsweise der Abtastvorrichtung wird besser aus den in den F i g. 4, 5 und 6 gezeigten Diagrammen verständlich. Eine rechteckige photoempfindliche Platte wird zur Bildung eines in Fig.4 dargestellten Hologramms dem Interferenzmuster einer zylindrischen Welle als Objektwelle und einer im wesentlichen ebenen Welle als Bezugswelle ausgesetzt. Die Brennlinie der zylindrischen Welle liegt in einer zur Hologrammebene 31 in einem Abstand d₀ liegenden parallelen Ebene und bildet einen Winkel λ' mit der Längsrichtung des Hologramms 30, wie dies F i g. 5 zeigt Die Ausleuchtung des gesamten Hologramms 30 mit der konjugierten Bezugswelle oder Referenzwelle rekonstruiert die vollständige Brennlinie 29. Wenn man jedoch nur einen Teil des Hologramms 30 (wie z. B. die Fläche ABCD in Fig. 5) ausleuchtet, dann wird nur ein entsprechender Teil (A 'D')der Brennlinie rekonstruiert. Leuchtet man einen Teil des Hologramms 30 (wie z. B. die Fläche ABCD in Fig.5) mit einer zylindrischen konvergierenden Referenzwelle mit einer Brennlinie aus, die auf der Brennlinie des Hologramms 30 senkrecht steht, dann wird der Abschnit A'D' der Brennlinie zu einem rekonstruierten Punkt P komprimiert. Der auf die ebene Referenzwelle bei der Hologrammbildung angewandte Korrekturausdruck kompensiert den zunehmenden Abstand c/(vgl. F i g. 6a) der Brennlinie vom Mittelpunkt nachfolgender Flächen ABCD, wodurch es möglich wird, bei der Rekonstruktion eines Punktes die gleiche konvergente Referenzwelle für alle Teile des Hologramms einzusetzen.

Dadurch, daß die zylindrische konvergierende Referenzwelle festliegt und das Hologramm 30 sich längs seiner Längsachse, wie dies in F i g. 6a und 6b gezeigt ist bewegt, wird der rekonstruierte Punkt senkrecht zur Brennlinie des Hologramms abgelenkt Man erhält eine wiederholte Ablenkung des Strahls, wenn eine Reihe

ίο von Hologrammen aufgezeichnet ist

Das gleiche für ein ebenes Hologramm beschriebene Prinzip kann auch auf ein zylinderförmiges Hologramm angewandt werden. In diesem Fall muß die Referenzwelle in bezug auf den Krümmungsmittelpunkt des is Hologrammzylinders im wesentlichen rotationsinvariant sein. Wird das Hologramm durch eine solche Refsrenzwelle (z. B. eine sphärische oder zylindrische divergierende Welle, die von der Achse des Hologrammzylinders ausgeht), ausgeleuchtet, dann wird eine konvergierende zylindrische Welle rekonstruiert, deren Brennlinie in bezug auf die die Basis des zylindrischen Teils enthalttnde Ebene einen Winkei α zwischen 0 und 90°, vorzugsweise etwa 45°, bildet Der Winkel von 45° wird deswegen vorgezogen, da er die längste Abtastzei-Ie und damit die größte Auflösung liefert Die Ausleuchtung nur eines Teiles des Hologramms mit einer ähnlichen (abgesehen von der Richtung der Brennlinie) konvergierenden Welle rekonstruiert einen Punkt Rotiert man einen Hologrammzylinder um seine Kxümmungsachse als. Rotationsachse, dann wird der rekonstruierte Punkt senkrecht zur Brennlinie abgelenkt. Die Schräge der Brennlinie 29 ergibt sich daraus, daß die aufeinanderfolgenden Bereiche eines jeden Hologramms bezüglich dessen Längserstreckung unterschiedliche Querablenkungen des rekonstruierten Strahls liefern.

Ein Strahlablenker für zwei Ablenkrichtungen besteht aus mehreren zylindrischen Hologrammen, die rund um einen transparenten Ring angeordnet sind. Die vom Laser 16 kommende Referenzwelle, die auf die Rotationsachse als ebene Welle auftrifft, wird durch eine strahlbiktende und ablenkende Einrichtung 19 erzeugt, die den Strahl in einen zylindrischen divergierenden Strahl 20 umformt, der auf den Hologrammzylinder 10 gerichtet ist. Der zylindrische divergierende Strahl 20 ist so geformt, daß er einen kleinen Teil des Hologramms ausleuchtet und durch diese Ausleuchtung wird ein kleines Segment des ursprünglichen Zeilenabbildes rekonstruiert. Dieser rekonstruierte Strahl weist in Richtung des Zeilenabbildes eine größere Konvergenz auf und konvergiert damit das rekonstruierte Zeilensegment zu einem Punkt. Man sieht daher, daß die Rekonstruktion eines Punktes tatsächlich aus zwei Verfahrensschritten besteht, die jedoch beide gleichzeitig ablaufen. In der dargestellten Ausführungsform besteht die den Strahl bildende und ablenkende Einrichtung 19 aus einer zylindrischen Linse 32 und einem kleinen Spiegel 34. Die strahlbildende und ablenkende Einrichtung 19 wird um die gleiche Achse gedreht wie der Hologrammzylinder 10. Wenn man den Hologrammzylinder mit konstanter Geschwindigkeit rotiert, dann wird der rekonstruierte Punkt kontinuierlich längs einer Linie auf einem außenliegenden Bildzylinder abgelenkt. Da die optische Einrichtung klein ist, kann sie rasch beschleunigt werden, so daß es möglich wird, jeden Punkt des Bildzylinders in kurzer Zeit zu erreichen.

Eine Speichervorrichtung unter Verwendung des

holographischen Lichlablenkers ist in Fig. 3 gezeigt. Die Speichervorrichtung enthält einen Lichtablenker, der einen Speicherzylinder 40 abtastet. Der Speicherzylinder 40 fällt mit der durch den Lichlablenker abgetasteten Oberfläche des Bildzylinders zusammen. s Die durch die Abtastvorrichtung abzutastenden Daten werden auf den Speicherzylinder 40 als codierte Darstellungen von Daten aufgezeichnet. Der Speicherzylinder 40 besteht dabei aus einem für die optische Speicherung von Daten geeigneten Material und die Auswahl dieses Materials hängt von der Art der gewählten Aufzeichnung ab. Sol! die Aufzeichnung nach Art eines Festwertspeichers nur gelesen werden, dann kann das Material beispielsweise ein photographischer Film sein. Für einen Lese/Schreibspeicher kann beispielsweise ein magnetooptisches Material benutzt werden. Eine Anzahl von Abfühlvorrichtungen 42-1, 42-2, ... 42-n ist radial in der Nachbarschaft des Speicherzylinders 40 angeordnet. Die Abfühlvorrichtungen 42 können dabei für einen Festwertspeicher aus photoempfindlichen Zellen oder bei Einsatz von magnetooptischen Verfahren aus Analysatoren und Polarisatoren aufgebaut sein. Die Ausgangssignale der verschiedenen Abfühlvorrichtungen werden jeweils einzelnen Pufferspeichern 44 zugeleitet. Um die Zeichnung einfach zu gestalten, ist nur ein einziger Pufferspeicher 44 mit seiner Anschlußleitung 46 gezeigt. Elektrische Muster der eingespeisten Information werden über diese Leitungen 46 ausgelesen und dem Pufferspeicher 44 zugeleitet, aus dem diese Information wieder, gesteuert durch eine Torsteuerung 48, über eine Leitung 50 entnehmbar ^;st Die Torsteuerung 48 ist über eine Leitung 52 mit einer Photodiode 54 verbunden, die reflektierte Lichtimpulse über eine Bahn 56 von einer Taktspur 58 aufnimmt, die miteinander abwechselnde reflektierende und nichtreflektierende Flächen aufweist. Von einer Lichtquelle 60 kommendes Licht wird als Lichtstrahl 62 auf die Taktspur 58 gerichtet und die Lichtimpulse werden nach der Photodiode 54 reflektiert, die diese Lichtimpulse in elektrische Impulse umwandelt. Bei einer Ausleseoperation wird der holographische Zylinder 10' über eine gestrichelt dargestellte Antriebsverbindung durch den Antriebsmotor 24' rotiert, die der Formung und Ablenkung des Strahls dienende Einrichtung 19' wird durch einen Motor 27, beispielsweise einen Schrittschaltmotor, über eine gestrichelt eingezeichnete mechanische Kupplung angetrieben. Der Schrittschaltmotor kann in bekannter Weise entweder für eine kontinuierliche oder schrittweise Bewegung angetrieben werden. Für die Modulation des vom Laser 16' ausgehenden Strahls 14' ist ein Modulator 15 vorgesehen. Durch den Antrieb über den Motor 27 und die Steuerung durch den Modulator 15 erhält man einen wahlfreien Zugriff zu allen auf dem Speicherzylinder 40 aufgezeichneten Daten. Während eines Umlaufs der den Strahl bildenden und ablenkenden Einrichtung 19' und vielen Umläufen des Hologrammzylinders 10' wird das von der Laserlichtquelle 16 kommende Licht auf jeden Punkt des Speicherzylinders 40 gerichtet und die dort festgestellte Information wird durch die Abfühlvorrichtungen 42 abgenommen. Die selektive Ausspeicherung wird über Leitungen 64-1, 64-2, 64-3, ... 64-n über eine Folgesteuerung 36 gesteuert, die über eine Leitung 66 an einer Adreßsteuerung 38 angeschlossen ist. Über diese Adreßsteuerung lassen sich unterschiedliche Folgen und Kombinationen von Abfühlvorrichtungen 42 zu jeder beliebigen oder gewünschten Kombination von gespeicherten Informationsworten auswählen. Die Adreßsteuerung 38 kann dabei eine bestimmte Zeile oder ein Wort im Speicher adressieren und die Folgesteuerung 36 steuert dann den Modulator 15 zum Auslesen der gewünschten Bits innerhalb dieser Zeile oder des Wortes.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1." Abtastvorrichtung mit mehreren auf einem rotierbaren Hologrammträger entlang dem Umfang aufeinanderfolgend angeordneten Hologrammen, die nur zu einem kleinen Bereich ausgeleuchtet sind und während der Rotation zu einer Schwenkbewegung des rekonstruierten Objektstrahls führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hologramme und die darauf gerichtete Welle derart beschaffen sind, daß sich beim bereichsweisen Ausleuchten eines jeden Hologramms im Abstand der Brennebene hinter dem Hologramm entsprechend abschnittweise eine Brennlinie bildet, die in einem Winkel («) gegenüber der Längsrichtung des Hologramms geneigt ist, und daß die Ausleuchtung des kleinen Bereichs (ABCD) eines jeden Hologramms mit einem solchen auftreffenden Strahl erfolgt, daß der Strahl nach Durchgang durch das Hologramm zu einem Punkt auf der Brennlinie konvergiert, und daß zur Erzielung einer zweidimensionalen Abtastung das das Hologramm beleuchtende System (19, 32, 34) ebenfalls, und zwar mit geringerer Geschwindigkeit, um die gleiche Rotationsachsedrehbarist

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hologrammträger ein Hohlzylinder und das denselben ausleuchtende optische System eine axial bestrahlte Zylinderlinse und einen nachfolgend angeordneten Umlenkspiegel aufweist.

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsfläche ein konzentrisch zum Hologrammträger angeordneter zylindrischer Aufzeichnungs- bzw. Speicherplatzträger (40) ist.