DE2750946A1

DE2750946A1 - Strahlablenker fuer einen laserstrahl fuer eine ebene holographische abtastung

Info

Publication number: DE2750946A1
Application number: DE19772750946
Authority: DE
Inventors: James Merril White
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-11-15
Publication date: 1978-07-06
Also published as: JPS5383757A; FR2376427B1; US4121882A; GB1573589A; FR2376427A1; CA1095753A

Description

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Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504 heb-pi

Strahlablenker für einen Laserstrahl
für eine ebene holographische Abtastung

Die Erfindung betrifft einen Strahlablenker oder Lichtablenker für die Erzeugung eines abtastenden Lichtstrahls.

Da die erfolgreiche industrielle Anwendung von Lasern in sehr starkem Maße vom gleichzeitigen Erfolg der Technik der Lichtablenkung abhängt, wurde dieses Gebiet der Technik besonders eingehend erforscht. Die Ergebnisse dieser Forschungen lassen sich ganz allgemein in zwei Klassen unterteilen, nämlich akkustische Ablenker und mechanische Ablenker. Die : akkustischen Ablenker sind bezüglich ihrer raumüberspannenden Kapazität ι beschränkt, während mechanische Ablenker in ihrer Geschwindigkeit beschränkt sind. Die erst kürzlich erschienene US Patentschrift 3 995 110

j offenbart einen mechanischen Ablenker unter Verwendung eines rotierenden vielflächigen Polygonspiegels.

Im August 1974 offenbarten Pole und andere im IBM Research Paper RJ 1423 einen Strahlablenker für einen in der Holographie benutzten Laserstrahl. Dieser Ablenker besteht aus einer Anzahl von auf einer zylindrischen Oberfläche aufgezeicheten Transmissionshologrammen oder Durchstrahlungshologrammen. Für die Wiederherstellung des ursprünglichen Bildes wird ein Laserstrahl benutzt, dessen virtuelle Lichtquelle im Rotationszentrum des Zylinders liegt und das Hologramm ausleuchtet, das dann den Strahl

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nach Art einer Abtastbewegung ablenkt. Das ablenkende Hologramm wird dabei durch die Interferenz eines Paares kohärenter Laserstahlen an einer in bezug auf die den Ursprung eines der Strahlen enthaltenden Achse rotations-. symmetrischen, zylindrischen Oberfläche erzeugt. Für die Ablenkung weist j die ausleuchtende Lichtquelle, die ebenfalls in der symmetrischen Mittel- :

lage angeordnet ist, eine verringerte Blende auf, und das Hologramm erzeugt bei Rotation der zylindrischen Oberfläche einen abtastenden Lichtstrahl.

Eine Anzahl von Parametern bestimmt die Brauchbarkeit eines Ablenkers !

dieser Art, deren eine die Auflösung des sich ergebenden Abtaststrahls ist, j d.h. wie viele unterschiedliche, einzeln auflösbare Punkte in einem gegebenen ^! Abtastfeld erzeugt werden können. ;

Eine diesem Vorschlag innewohnende Schwierigkeit besteht darin, daß bei einer Zusammenwirkung des Hologramms und des ausleuchtenden Strahls zur Erzeugung des Objektstrahls bei Rotation des Hologramms das Abtastfeld einen Kreis oder einen Kreisbogen beschreibt. Während für einige Anwendungsgebiete ein solches Abtastfeld erwünscht ist, erfordern doch :

typische Abtastanordnungen die Abtastung eines ebenen oder nahezu ebenen Feldes. Die kreisförmige Abtastung nach Pole und anderen kann natürlich optisch korrigiert werden, wobei dies jedoch nur auf Kosten der _:

Auflösung und/oder der Abtastbreite möglich ist. ^:

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lichtablenker mit den Vorteilen des Vorschlages von Pole und anderen zu schaffen, während gleichzeitig eine Abtastung eines ebenen oder nahezu ebenen Feldes erfolgt. Insbesondere soll ein holographischer Lichtablenker geschaffen werden, der gegenüber bekannten holographischen Lichtablenkern, wie zum Beispiel durch Datenverarbeitungsanlagen erzeugten Hologrammen, eine verbesserte erhöhte Auflösung ergibt.

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Zusammenfassung der Erfindung

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch eine zylindrische Trommel mit mindestens einem transparenten Segment und mit Mitteln zum Rotieren der Trommel um ihre Mittelachse gelöst. Auf dem transparenten Segment ist ein Hologramm befestigt, und ein Laserstrahl beleuchtet das Hologramm, wobei der Laserstrahl seine virtuelle Quelle auf einer die Achse der zylindrischen Trommel schneidenden, von der Achse längs dieser Linie jedoch entfernten Punkt aufweist.

Das Hologramm wird dadurch erzeugt, daß die zylindrische Trommel mindestens ein transparentes Segment aufweist und daß in diesem transparenten Segment ein fotoempfindliches Material für die Aufzeichnung eines Hologramms vorgesehen ist. Auf dem fotoempfindlichen Material treffen ein Paar Lichtstrahlen auf, und die Interferenz zwischen diesen Lichtstrahlen erzeugt das Hologramm. Ein erster Lichtstrahl hat seine virtuelle Quelle außerhalb der zylindrischen Trommel, und ein zweiter Lichtstrahl besitzt eine virtuelle Quelle innerhalb der zylindrischen Trommel, wobei beide virtuellen Quellen auf einer durch die Trommelachse verlaufenden Linie angeordnet sind. Der Lichtstrahl mit virtueller Quelle innerhalb der Trommel ist jedoch gegen die zylindrische Achse verschoben.

Wenn man mehrere transparente Segmente auf der Trommel vorsieht und auf jedem dieser transparenten Segmente ein Hologramm aufzeichnet, dann können in einem bandförmigen Ring um den Zylinder mehrere ablenkende Hologramme vorgesehen sein.

Ein ausleuchtender Strahl von verringertem Blendendurchmesser im Vergleich mit dem aufzeichnenden Strahl leuchtet die Hologramme bei sich drehender Trommel aus. Die Hologramme lenken den ausleuchtenden Strahl ab, wobei die gesamte Breite eines jeden Feldes für jedes Hologramm abgetastet wird.

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Durch Auswahl der seitlichen Verschiebung des aufzeichnenden oder ausleuchtenden Strahls von der Zylinderachse wird eine ebene oder nahezu ebene Abtastung eines Feldes erzeugt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 bis 4 die Aufzeichnung und Rekonstruktion von Hologrammen gemäß Pole und anderen mit Merkmalen, die auch bei der Erfindung vorhanden sind;

Fig. 5 den relativen Ort der Lichtquellen bei Aufzeichnung und

Wiedergabe und das sich dabei ergebende Abtastfeld;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, wie sich die resultierenden

Abtastfelder bei entsprechender Änderung der ausgewählten Parameter verändern und

Fig. 7 schematisch ein praktisches Abtastsystem unter Verwendung

, der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die Aufzeichnungsgeometrie nach Pole und anderen. Zwei !kohärente Lichtstrahlen A und B treffen auf einer rotationssymmetrischen !zylindrischen Oberfläche S auf. Der Strahl A ist ein divergierender Strahl

{mit einer Apertur oder öffnungsweite 0. und der Strahl B ist ein con ve rgenter Strahl mit der öffnungsweite 0». Natürlich könnte der Strahl B ebenso ein divergenter Strahl dergleichen Apertur sein, wenn die Strahlungsquelle außerhalb der Oberfläche angeordnet wäre. Wenn die Oberfläche S aus einem für die Wellenlänge der Strahlen A und B fotoempfindlichen Material besteht, dann wird auf dieser Oberfläche ein Hologramm aufgezeichnet, das die Eigenschaft hat, daß bei Beleuchtung durch den Strahl A

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der Strahl B wiederhergestellt wird und umgekehrt. Zur Erzeugung einer Lichtabtastung wird jedoch das gemäß Fig. 1 aufgezeichnete Hologramm durch einen Referenzstrahl A gemäß Fig. 2 beleuchtet, dessen Apertur '

Λ <5» nur einen Bruchteil der ursprünglichen Apertur φ_Α beträgt. Dadurch

A '

wird nur ein Winkelbruchteil Δ tf_R des ursprünglichen Strahles rekonstruiert. Wird nunmehr das Hologramm von Position 1 längs der Oberfläche S nach Position 2 bewegt, dann wird der TeilkonusZi tf_R2 anstelle des ursprünglich rekonstruierten Konus β (6_R1 erzeugt, und wenn das Hologramm nach Position 3 bewegt wird, dann wird der Strahl zj 0_R3 erzeugt. Die Rotation des Hologramms um seine Achse erzeugt bei Beleuchtung durch den Strahl A mit der Apertur Λ φ. eine Winkelabtastbewegung eines kegelförmigen Lichtstrahls.

Um die Bildung eines Strahls nullter Ordnung zu verhindern, können die Strahlen A und B, wie in Fig. 3 gezeigt, gegeneinander versetzt sein.

Fig. 4 zeigt, wie durch Rotation der Oberfläche S in verschiedene diskrete Positionen mehrere verschiedene Hologramme auf der Oberfläche S aufgezeichnet werden können.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien werden nunmehr im Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert, wo das Hologramm auf einer zum Mittelpunkt O rotationssymmetrischen Oberfläche S angeordnet ist. Eines der Hologramme kann dadurch erzeugt werden, daß man zwei kohärente Lichtquellen benutzt, deren eine eine virtuelle Quelle bei A' und deren i

zweite eine virtuelle Quelle F' aufweist. Wie in Fig. 5 gezeigt, liegen diese virtuellen Strahlungsquellen auf einer durch den Mittelpunkt der Rotationssymmetrie verlaufenden Linie, obgleich jede Quelle außerhalb des Mittelpunkts der Rotationssymmetrie liegt. Ebenso wie bei Pole und anderen weist jede der Aufzeichnung dienende Lichtquelle eine Apertur zur Ausleuchtung des gesamten Hologramms auf, das ein Segment eines zylindrischen ι Bandes darstellt. Im Gegensatz zu dieser bekannten Anordnung wird die '

für die Rekonstruktion benutzte Strahlungsquelle nicht mehr im Zentrum

-TOTO-ΗΪ β 0 98 ΛΑΟ β α

der Rotationssymmetrie bei O, sondern bei C angebracht, wobei sich das Hologramm um einen Winkel Θ drehen kann. Gleichzeitig wird die Apertur des j das Hologramm ausleuchtenden Lichtstrahls auf einen sehr kleinen Kegel j

eingeschränkt, der den bei B liegenden Bereich durchsetzt. Der der Rekonstruktion dienende Lichtstrahl weist seinen Brennpunkt bei C auf. Der Ort von C kann dadurch bestimmt werden, daß man das Hologramm als dünne Linse betrachtet, deren Mittelpunkt (für ein gegebenes Element des Hologramms bei B) bei D angenommen wird und dessen Brennweite gegeben ist durch 1/AD + 1/DF = 1/CD + 1/DG.

Löst man diese Gleichung für verschiedene Winkel Θ , so findet man, daß man für ausgewählte Parameter von OC ein ebenes oder nahezu ebenes Abtastfeld erhält. Fig. 6 zeigt beispielsweise die Bewegung des Punktes G für verschiedene Θ mit festliegenden Werten von OB, OF und OA und sich ändernden Werten von OC. OC ist natürlich die Verschiebung der Rekonstruktionslichtquelle oder der virtuellen Quelle vom Symmetriemittelpunkt. Fig. 6 wurde dabei für die normalisierten Werte OB = 1, OF = 12 und OA = 0,5 berechnet. OB entspricht dem Trommelradius, OA dem Abstand einer Aufzeichnungslichtquelle vom Mittelpunkt der Rotationssymmetrie und OF dem Abstand der zweiten Aufzeichnungslichtquelle vom Rotationssymmetriemittelpunkt. Wie man aus Fig. 5 erkennt, stellt ein positiver Wert von OC eine Verschiebung nach rechts und ein negativer Wert von OC eine Verschiebung nach links dar. Wie man aus Fig. 6 erkennt, gibt es für OC = -0,65 einen Bereich, bei dem sich CH um weniger als - 0,05 ändert, wobei dieser Bereich eine Halbwertsbreite von 2,75 aufweist. CH (vgl. Fig. 5) ist der

Abstand des Abtastfeldes von der zur Rekonstruktion benutzten Lichtquelle. Innerhalb praktischer Toleranzen und bei guter Auflösung, kann dies als j

ebenes Abtastfeld angesehen werden. Fig. 7 zeigt eine praktische Anordnung j zur Erzielung einer ebenen Abtastung mit Hilfe eines holographischen LichtabH lenkers. i

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Fig. 7 zeigt ein Band 20 einer rotierbaren Trommel (nicht gezeigt), welches mehrere transparente Abschnitte enthält. Über einem der transparenten Abschnitte ist ein Hologramm 21 angeordnet, dessen Erzeugung im folgenden beschrieben wird. Die Trommel rotiert um eine Achse 26. Eine Quelle für kollimiertes Licht, wie es beispielsweise von einem Laser 25 abgegeben wird, ist auf einen Spiegel 22 gerichtet und durchläuft anschließend eine Zerstreuungslinse 23. Die Zerstreuungslinse 23 ist so ausgewählt und angeordnet, daß die virtuelle Lichtquelle des von der Linse 23 ausgehenden Lichtes bei einem abseits der Achse liegenden Punkt 27 liegt. Eine Beleuchtungsapertur 24 kann ebenso, wie in Fig. 7 angedeutet, an einem festen Ort angebracht sein. Wenn die Trommel rotiert, so erzeugt das Hologramm eine Abtastung in einem ebenen Feld, beispielsweise in dem Feld 28. In dem bestimmten Beispiel liegt die Wellenlänge des Lasers bei 633 nm, und die virtuelle Lichtquelle für den Lichtstrahl 27 liegt 65 mm von der Trommelachse entfernt. Die Trommel hat einen Radius von 100 mm, und die Aperturblende 24 liefert eine Apertur von 2,24 mm. Für ein Hologramm, das 0,5 Bogengrade einnimmt, wenn es gemäß der nachfolgenden Beschreibung erzeugt wird, wird ein 250 mm breites Abtastfeld in einer Entfernung von 658 mm von dem Hologramm erzeugt.

Um das Hologramm 21 bei der in Fig. 7 dargestellten Konstruktion zu erzeugen, das dann wiederum die gewünschte ebene Abtastung eines Abtastfeldes liefert, ist die Apertur des vom Laser 25 und der Linse 23 ausgehenden Laserstrahls so gewählt, daß der Laser 25 0,5 Bogengrad unbelichteten Hologrammes mit einer virtuellen Lichtquelle ausleuchtet, die beim Punkt 29 15 mm außerhalb der Trommelachse liegt. Zusätzlich wird eine zweite mit dem Laser 25 kohärente Lichtquelle zum Ausleuchten des sich über 0,5 Bogengrade erstreckenden Hologrammsegmentes längs einer Linie mit den Punkten 27 und 29 in einem Abstand von 1100 mm von der transparenten Trommeloberfläche angeordnet.

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Mit diesen Parametern enthält das 250 mm breite Abtastfeld schätzungsweise 790 unterscheidbare Auflosungspositionen.

Für eine wiederholte Abtastung des Feldes 28 sind mehrere Hologramme j rund um das Band 20 auf der Trommeloberfläche angeordnet. Wenn die

Trommel rotiert, wird dieses gesamte Feld je einmal je Segment vollständig I

abgetastet, und wenn der im Abtastfeld liegende Gegenstand beispielsweise ■

in vertikaler Richtung schrittweise weiterbewegt wird, wenn die Abtastung j in horizontaler Richtung erfolgt, dann liefert jedes holographische Segment

eine Abtastung einer anderen Zeile. Die Aperturblende wird dabei so ge- j

wählt, daß das Brechungslimit und der Beitrag der Aberration zur Ver- '

schlechterung der Auflösung etwa in gleicher Größenordnung liegen, so daß j

sich damit eine optimale Auslegung der Anordnung ergibt. ;

Leerse ite

Claims

2750S4B PATENTANSPRÜCHE

1. Abtastanordnung zum Abtasten eines im wesentlichen ebenen Feldes mittels eines Strahlablenker für Laserstrahlen, gekennzeichnet durch eine um ihre Mittelachse drehbare kreiszylinderformige Trommel mit mindestens einem transparenten Segment (21), in dem ein Hologramm angebracht ist, ferner durch eine mit der zur Erzeugung des Hologramms verwendeten Lichtquelle kohärenten, einen gebündelten Lichtstrahl liefernden Lichtquelle (25), deren virtuelle Position (27) auf einer senkrecht zu der Rotationsachse verlaufenden und diese schneidenden Linie liegt, und auf dieser Linie einen Abstand (A) von der Rotationsachse aufweist.

2) Abtastanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm durch Interferenz zweier kohärenter Lichtstrahlen erzeugt ist, deren jeder eine virtuelle Lichtquelle besitzt, und daß dabei mindestens eine der beiden virtuellen Lichtquellen innerhalb der Trommel und mit einem Abstand von der Rotationsachse der Trommel liegt.

3) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus einer Laseranordnung (25, 22) und einer Linse (23) besteht, wobei die Laseranordnung den Laserstrahl auf die Linse richtet und daß der Ort und die Art der Linse (23) so gewählt sind, daß für den Lichtstrahl eine virtuelle Lichtquelle (27) gebildet wird.

4) Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine das auf ' dem Hologramm auftreffende Licht begrenzende feststehende Blende (24) vorgesehen ist. . I

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5) Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (24) eine Brechungsgrenze für die Strahlauflösung im Abtastfeld gleich dem Aberrationslimit für die Strahlauflösung liefert.

6) Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseranordnung aus einem Laser (25) besteht, dessen Strahl auf einen Spiegel (22) gerichtet ist, und daß dabei der vom Laserstrahl getroffene Spiegel auf einer die Linse und das Hologramm durchsetzenden Linie angeordnet ist.

7) Verfahren zum Abtasten eines im wesentlichen ebenen Abtastfeldes mittels einer Anordnung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Aufzeichnen eines Hologramms auf einem Segment eines Kreiszylinders durch die Interferenz zweier aus zwei kohärenten Lichtquellen stammenden Lichtstrahlen, die beide das Segment mit der Apertur A ausleuchten; Beleuchten mindestens eines Teils des so erzeugten Hologramms mit einer dritten mit den beiden ersten Quellen kohärenten Lichtquelle, wobei die dritte Lichtquelle an dem Segment die Apertur B < A und einer von der Achse des Zylinders entfernte virtuelle Lichtquelle aufweist, und

Rotieren des Zylinders.

8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lichtquellen im Innern des Zylinders in der Weise verwendet wird, daß sich eine gegen die Zylinderachse versetzte virtuelle Lichtquelle ergibt.

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9) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für eine wiederholte Abtastung des ebenen Abtastfeldes eine Anzahl von Hologrammen in verschiedenen Segmenten längs eines um den Zylinder herumlaufenden Bandes aufgezeichnet werden, und daß die dritte Lichtquelle bei Drehung des Zylinders nacheinander unterschiedliche Hologramme beleuchtet.

10) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aperturblende verwendet wird, die den Teil des durch die dritte Lichtquelle beleuchteten Teil des Hologramms begrenzt.

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