DE3542154C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zweidimensionalen Umlenkung von Lichtstrahlen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine Lichtumlenkvorrichtung zum Neigen oder Kippen eines reflektierenden Spiegels mittels Zweielementkristall-Zellen ist in der JP-AS 40 215/1977 beschrieben. Fig. 1 veranschaulicht im schematischen Schnitt diese bisherigen Lichtumlenkvorrichtung. Dabei sind zwei piezoelektrische Zweielementkristall-Zellen a, die sich bei Anlegung einer Spannung durchbiegen, jeweils am einen Ende festgelegt und am anderen Ende mit der unterseitigen Umfangsfläche eines reflektierenden Spiegels b zur Halterung desselben verbunden. Durch die Biegung oder Auslenkung der einzelnen Zellen a wird der Spiegel b dabei geneigt oder gekippt.

Bei der beschriebenen Anordnung (nach Fig. 1) sind der Spiegel b und die piezoelektrischen Zellen a lediglich durch Festlegung jeweils eines Endes der Zellen gehaltert. Diese Halterungsanordnung ist daher strukturell schwach, und die Zellen a können leicht brechen, wenn sich eine externe Kraft auf das Zentrum konzentriert. Wenn die Dicke des reflektierenden Spiegels b zur Gewährleistung der Einwirkung einer möglichst kleinen Belastung auf die Zellen a verringert wird, nimmt auch die körperliche Festigkeit des Spiegels a ab, so daß sich erhebliche Schwierigkeiten bei der Handhabung ergeben. Die Größe der Schrägstellung oder des Kippens des Spiegels b wird durch mehrere Faktoren bestimmt, z. B. die an den Zellen a anliegende Spannung, den Abstand zwischen dem festgelegten Ende jeder Zelle und dem Umfang des Spiegels b, an welchem letzterer durch die Zellen gehaltert ist, und das Gewicht des Spiegels b. Aufgrund der Komplexität dieser Bestimmungsfaktoren erweist es sich sehr schwierig, die angestrebte Genauigkeit der Schräg- oder Kippstellung zu erreichen. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß die zentrale Belastung des Spiegels b ein Kippen desselben um einen größeren Betrag verhindert.

Eine Lichtumlenkvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-AS 19 23 032 bekannt. In den verschiedenen dort gezeigten Ausführungsbeispielen wird teils eine Verschwenkung um eine fiktive Schwenkachse und teils eine Verschwenkung um einen fiktiven Schwenkpunkt beschrieben. Im letzteren Fall sind dort für die Verschwenkung um einen fiktiven Schwenkpunkt drei Piezowandler vorzusehen, und diese sind in einer bestimmten Weise im Gegentakt anzusteuern. Somit ist dort nicht nur der Aufwand an Piezowandlern verhältnismäßig groß, sondern eine genaue Schwenkbewegung um einen fiktiven Punkt dürfte auch wegen der oft unterschiedlichen Eigenschaften der Piezowandler nur schwer zu erreichen sein.

Aus der US-PS 40 60 364 ist weiterhin eine Spiegeleinstellvorrichtung bekannt, wobei der Spiegel an einer Stelle fest abgestützt und an zwei Stellen beweglich abgestützt ist. Der Spiegel ist dort elastisch gelagert, wobei jedoch die Abstützungen für den Spiegel nicht durch Druck von unten, sondern durch Zug von der Oberseite des Spiegels bzw. seiner Stützplatte wirken. Der Einsatz von piezoelektrischen Wandlern wäre bei einer derartigen Abstützung nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtumlenkvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu schaffen, die einen genaueren Spiegelausschlag gewährleistet und einen geringeren Aufwand erfordert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Wenn bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung elektrische Signale an die auf den x- und y-Achsen liegenden piezoelektrischen Schichtwandler angelegt werden, so daß Verformungen auf der z-Achse herbeigeführt werden, bewegen sich die Ausschlagenden der betreffenden piezoelektrischen Wandler in der Weise, daß eine dreidimensionale Kippauslenkung des reflektierenden Spiegels in einer vorbestimmten Richtung um den Drehpunkt herum erfolgt.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Vorrichtung weist das Trägerelement biegsame Schenkel auf, die jeweils mit einem Ende an dem Spiegel und mit dem anderen Ende an dem feststehenden Element befestigt sind. Außerdem kann in weiterer Ausgestaltung ein feststehender Spiegel über dem reflektierenden Spiegel angeordnet und diesem flächig zugewandt sein. Eine derartige Anordnung ist grundsätzlich aus der US-PS 36 12 642 bekannt.

Wenn in diesem Fall ein elektrisches Signal an die piezoelektrischen Wandler auf der x- und der y-Achse angelegt wird, um eine Verformung in Richtung der z-Achse herbeizuführen, verlagert sich das Ausschlagende jedes Wandlers, so daß der Spiegel wie oben eine dreidimensionale Kippbewegung um den Drehpunkt in einer vorbestimmten Richtung ausführt. Das auf den reflektierenden Spiegel fallende Licht wird dabei mehrfach zwischen ersterem und dem feststehenden Spiegel reflektiert, bis es aus dem Spalt zwischen den beiden Spiegeln austritt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer bisherigen Lichtumlenkvorrichtung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Lichtumlenkvorrichtung (eines Lichtdeflektors) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 4,

Fig. 4 einen Längsschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine Teilschnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Lichtumlenkvorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 6 eine Fig. 5 ähnelnde Darstellung einer anderen Einrichtung zur Unterstützung des Zentrums des reflektierenden Spiegels,

Fig. 7A und 7B Schnittansichten von Schenkeln mit Biegefalten,

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Prinzips einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine Aufsicht auf eine auf dem Prinzip gemäß Fig. 8 beruhende Lichtumlenkvorrichtung gemäß der anderen Ausführungsform,

Fig. 10 einen Längsschnitt längs der Linie X-X in Fig. 9 und

Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie XI-XI in Fig. 10.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

Fig. 2 veranschaulicht ein Gehäuse 1, das aus einer quadratischen Bodenplatte 2 und einer identisch geformten Oberplatte 3 mit einer zentralen kreisrunden Bohrung 4 besteht, wobei Boden- und Oberplatte an den vier Ecken durch vier Säulen 5 miteinander verbunden sind. Gemäß Fig. 3 haltern die Säulen 5 jeweils Schenkel 6 a, die von den vier Ecken eines quadratischen, flexiblen oder biegsamen Trägerelementes 6 aus Metall abgehen. Letzterer ist spannungsfrei gehaltert und lotrecht bewegbar. Ein reflektierender Spiegel 8 ist lose in die Bohrung 4 eingesetzt. Ein an der Unterseite des Spiegels 8 befestigter Ansatz 9 liegt auf der Oberseite des Trägerelementes 6 auf. Die Spiegelfläche 7 des Spiegels 8 liegt an der Oberseite des Gehäuses 1 nach außen hin frei. Eine Stützplatte 10 steht mit der Unterseite des Trägerelementes 6 in Berührung und ist mit diesem sowie mit dem Ansatz 9 mit Hilfe von Schrauben 11 verbunden, die von unten her durch die Stützplatte 10 hindurch eingeschraubt sind. Die Stützplatte 10 besteht aus einem verschleißfesten, harten metallischen Werkstoff. Ein solcher Werkstoff braucht lediglich in den Bereichen der Stützplatte 10 verwendet zu werden, in denen letztere mit noch zu beschreibenden Kontakt-Kugeln 14 und 16 in Berührung steht.

Vom Zentrum der Bodenplatte 2 ragt eine Tragsäule 13 lotrecht nach oben. Eine aus einem verschleißfesten, harten Metallwerkstoff hergestellte, am oberen Ende der Säule 13 angeordnete Kontakt-Kugel 14 liegt an der Unterseite der Stützplatte 10 in deren Mittelbereich an, wodurch der Spiegel 8 derart abgestützt ist, daß seine Spiegelfläche 7 im wesentlichen bündig zur Oberseite des Gehäuses 1 liegt. Gemäß Fig. 4 ist das Trägerelement 6 gegenüber den Schenkeln 6 a geringfügig höher gelegt, so daß der Spiegel 8 geringfügig über die Oberseite des Gehäuses 1 hinaus vorsteht.

Der Mittelbereich bzw. das Zentrum des Spiegels 8 braucht nicht durch die Säule 13 unterstützt zu sein; vielmehr kann der Spiegel 8 an einer Stelle mittels einer Kontakt-Kugel 14 unterstützt sein, die im Zentrum einer an ihrem Umfang durch die Säulen 5 gehalterten Zwischenplatte 20 angeordnet ist.

Jeder der von dem biegsamen Trägerelement 6 abgehenden Schenkel 6 a kann gemäß den Fig. 6A und 6B mit einer oder mehreren Biegefalten 12 versehen sein. Diese erleichtern die Verformung der Schenkel 6 a und mithin den Einbau des biegsamen Trägerelementes 6 sowie seine noch zu beschreibende Kippbewegung.

An der Bodenplatte 2 sind zwei lotrechte, säulenförmige piezoelektrische Schichtwandler 15 a und 15 b vorgesehen, die an den x- und y-Achsen angeordnet sind, welche einander unter einem rechten Winkel in derselben Ebene schneiden und durch das Zentrum der Säule 13 verlaufen. Am oberen Ende jedes piezoelektrischen Wandlers 15 a und 15 b (am Ausschlagende) ist jeweils eine Kontakt-Kugel 16 aus demselben verschleißfesten, harten Metallwerkstoff wie bei der Kugel 14 vorgesehen; diese Kontakt-Kugeln stehen in Punktberührung mit der Unterseite der Stützplatte 10 an mit den x- und y-Achsen übereinstimmenden Stellen in der durch die Unterseite der Stützplatte festgelegten Ebene.

Gemäß Fig. 4 besteht jeder piezoelektrische Wandler 15 a und 15 b aus einer Anzahl piezoelektrischer Elemente 17, die auf lotrecht gegenüberliegenden Seiten polarisiert und so aufeinander aufgesetzt sind, daß jeweils zwei Seiten derselben Polarität oder Polung einander zugewandt sind. Wenn eine Spannung an zwei Eingangsklemmen 18, 18 angelegt wird, von denen die eine an die Elektroden der einen Polarität und die andere an die Elektroden der entgegengesetzten Polarität angeschlossen ist, verformen sich die einzelnen piezoelektrischen Elemente 17 in lotrechter Richtung, wobei die Gesamtspannung dieser Elemente entweder eine Ausdehnung oder eine Zusammenziehung jedes piezoelektrischen Wandlers 15 a und 15 b in lotrechter Richtung herbeiführt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nachstehend anhand der Fig. 4 und 5 im einzelnen erläutert.

Bei Abwesenheit einer Signalspannung an den piezolektrischen Wandlern 15 a und 15 b befindet sich der reflektierende Spiegel 8 in der Lage gemäß Fig. 4, in welcher seine Spiegelfläche 7 bündig mit der Oberseite der Oberplatte 3 abschließt. Um das auf den Spiegel 8 auftreffende Licht in einem gewissen Ausmaß abzulenken oder umzulenken, wird eine Signalspannung der erforderlichen Größe zwischen die mit den piezoelektrischen Wandlern 15 a und 15 b verbundenen Eingangsklemmen 18 angelegt. Infolgedessen dehnt sich der piezoelektrische Wandler 15 a (oder 15 b) auf die in Fig. 5 gezeigte Weise aus. Da die Unterseite des Spiegels 8 im Zentrum an einem einzigen Punkt durch die Kontakt-Kugel 14 auf der Oberseite der Säule 13 abgestützt ist und das zwischen dem Spiegel 8 und der Kugel 14 angeordnete biegsame Trägerelement 6 mittels einer Verformung der Schenkel 6 a eine Neigung annehmen kann, bewirkt der sich ausdehnende Wandler 15 a (oder 15 b) ein Kippen des Spiegels 8 um die Kugel 14 über einen Winkel, welcher der angelegten Signalspannung proportional ist, so daß sich die Spiegelfläche 7 unter einem vorbestimmten Winkel auf der x-Achse (oder y-Achse), auf welcher der betreffende piezoelektrische Wandler 15 a (oder 15 b) angeordnet ist, neigt. Infolgedessen wird das einfallende Licht von der Spiegelfläche 7 in der gewünschten Richtung reflektiert.

Wenn der Ausdehnungszustand des piezoelektrischen Wandlers 15 a (oder 15 b) aufgehoben wird, kann der reflektierende Spiegel 8 unter der Federwirkung der Schenkel 6 a, die in die Ausgangsstellung gemäß Fig. 4 zurückzukehren bestrebt sind, in Verbindung mit seinem Eigengewicht der Zusammenziehbewegung des piezoelektrischen Wandlers 15 a (oder 15 b) folgen, bis er in seine Ausgangsstellung zurückgekehrt ist.

Das Neigen oder Kippen der Spiegelfläche 7 in Richtung der x-Achse wird somit durch Ausdehnung und Zusammenziehung des piezoelektrischen Wandlers 15 a gesteuert, während das Kippen der Spiegelfläche 7 in Richtung der y-Achse durch Ausdehnung und Zusammenziehung des Wandlers 15 b gesteuert wird.

Durch Anlegung unterschiedlich großer Signalspannungen an die piezoelektrischen Wandler 15 a und 15 b können diesen unterschiedliche Ausdehnungs- und Zusammenziehungsgrößen oder unterschiedliche Takte dieser Bewegungen erteilt werden. Durch Kombination zweckmäßig gewählter Bewegungsgrößen oder -takte kann im Zusammenhang mit den Größen der angelegten Signalspannung ein bestimmter Neigungs- oder Kippwinkelbereich realisiert werden, so daß der Spiegel 8 dreidimensional zu schwingen vermag und die Spiegelfläche 7 in einer gewünschten Richtung gegenüber dem einfallenden Licht ausgelenkt wird. Die erfindungsgemäße Lichtumlenkvorrichtung gewährleistet somit ein gutes Winkelansprechen auf Hochfrequenz-Eingangswellen, wie Lichtimpulse.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der Spiegel 8 durch die Kombination aus dem biegsamen Trägerelement 6, der Stützplatte 10 und der Kontakt-Kugel 14 getragen, und er kann somit einfach und ohne Schweißarbeit mit den genannten Bauteilen zusammengesetzt werden. Da der Spiegel 8 mit diesen Bauteilen an den erforderlichen Lager- oder Tragstellen nicht verschweißt zu sein braucht, kann der Spiegel 8 wiederholte Kippbewegungen durchführen, ohne daß dabei seine Halterung aufgrund von Ermüdung beeinträchtigt wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist somit der reflektierende Spiegel 8 mit einer oberseitigen Spiegelfläche 7 an einem einzigen Punkt unterstützt, wobei sich die beiden piezoelektrischen Wandler 15 a und 15 b, die an Stellen auf den x- und y-Achsen, welche - einander unter einem rechten Winkel schneidend - in einer gemeinsamen Ebene durch den Schwenkpunkt verlaufen und in einem Abstand vom genannten Schwenkpunkt angeordnet sind, in lotrechter Richtung ausdehnen oder zusammenziehen, so daß sich die Spiegelfläche 7 um den Schwenkpunkt herum neigt. Aufgrund dieser Anordnung ist die Ausschlaggröße der Spiegelfläche 7 unabhängig von Einflußgrößen, wie auf die Spiegelfläche einwirkende Belastung, und die Gesamtanordnung besitzt dabei ausreichend große Festigkeit, um auch unter ungünstigen Bedingungen einwandfrei arbeiten zu können. Als weiterer Vorteil können eine hohe Lagengenauigkeit und ein großer Spielraum bezüglich Richtung und Größe der Neigung der Spiegelfläche durch Änderung der den piezoelektrischen Wandlern 15 a und 15 b aufzuprägenden Spannung gewährleistet werden.

Im folgenden ist eine andere Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 8 bis 11 beschrieben.

Wenn der reflektierende Spiegel 108 gemäß Fig. 8 unter einem Winkel Φ geneigt ist, während das Licht unter einem konstanten Winkel R auf die Lichtumlenkvorrichtung auftrifft, und wenn das Licht n-mal von einem feststehenden Spiegel 126 reflektiert wird, läßt sich der Winkel, unter welchem das Licht aus der Lichtumlenkvorrichtung austritt oder von dieser abgestrahlt wird, ausdrücken zu R ± 2Φ (n + 1), wodurch der Ablenk- oder Umlenkwinkel angegeben wird. In obiger Formel hängt die Wahl des Plus- oder Minuszeichens von der Neigungs- oder Kipprichtung des reflektierenden Spiegels ab; das Pluszeichen gilt für den Fall, daß der Spiegel auf die in Fig. 8 gezeigte Weise geneigt ist, wobei sich der Spalt oder Zwischenraum zwischen den beiden Spiegeln zum Lichtaustrittsende hin verkleinert.

Beim Fehlen eines feststehenden Spiegels entspricht der Ablenk- oder Umlenkwinkel 2Φ; dies bedeutet, daß der feststehende Spiegel 126 den möglichen Umlenkwinkel um den Faktor (n + 1) vergrößert, weil 2Φ (n + 1)/2Φ = n + 1 gilt. Als Ergebnis wird mit einer kleinen Auslenkung bzw. einem kleinen Neigungswinkel des reflektierenden Spiegels ein großer Abstrahlwinkel erreicht.

Die wesentlichen Teile der Lichtumlenkvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform sind nachstehend im einzelnen erläutert, wobei den vorher beschriebenen Teilen entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet sind.

Über der Oberplatte 3 befindet sich in einem vorbestimmten Abstand S eine Spiegel-Halteplatte 120, die von vier unter ihren vier Ecken angeordneten, kleinen Säulen 121 getragen wird.

Die Spiegel-Halteplatte 120 ist mit einer großen kreisförmigen Bohrung 122 versehen, die eine Scheibe 124 aufnimmt, deren Zentrum mit demjenigen des Spiegels 8 fluchtet und die durch Brücken 123 gehaltert ist, welche den Zwischenraum zwischen der Scheibe 124 und der Halteplatte 120 überspannen. Der Außendurchmesser der Scheibe 124 ist kleiner als der Innendurchmesser der kreisförmigen Bohrung 122, so daß um die Scheibe 124 herum ein ringförmiger (umlaufender) Spalt 125 festgelegt ist. An der Unterseite der Scheibe 124 ist ein feststehender Spiegel 126 so befestigt, daß er der Oberseite des Spiegels 8 zugewandt ist.

Die Spiegel-Halteplatte 120 kann mittels einer einfachen Einrichtung trennbar mit der Oberplatte 3 verbunden sein.

Wenn von einer Lichtquelle in einer vorbestimmten Stellung emittiertes Licht auf die Lichtumlenkvorrichtung fällt, tritt dieses Licht durch den ringförmigen Spalt 125 hindurch und wird vom geneigten oder gekippten Spiegel 8 reflektiert und zwischen den feststehenden Spiegel 126 und dem reflektierenden Spiegel 8 mit einer vorbestimmten Häufigkeit hin- und hergeworfen, bevor es aus dem Spalt 125 austritt. Das austretende oder ausgestrahlte Licht projiziert einen Lichtfleck auf einem getrennt angeordneten Schirm.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, verwendet die Lichtumlenkvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung einen Spiegel 8 in Kombination mit einem darüberliegenden feststehenden Spiegel 126 im Hinblick auf eine größere Umlenkung des Strahlengangs, als sie durch die Neigung des Spiegels 8 allein erzielbar ist. Hierdurch werden die folgenden Vorteile gewährleistet:

• a) Um bei den bisherigen Anordnungen einen größeren Abstrahlwinkel zu erzielen, müssen die piezoelektrischen Wandler größere Ausdehnung und Zusammenziehung durchführen. Da jedoch die maximale Ausdehnung, die mit einem einzigen piezoelektrischen Element, erreicht werden kann, beschränkt ist, kann diesem Erfordernis nur mit einer vergrößerten Zahl piezoelektrischer Elemente entsprochen werden, was wiederum zu einer sperrigen und aufwendigen Vorrichtung führt. Dieses Problem wird einfach durch Verwendung des feststehenden Spiegels 126 gelöst.
• b) Mit der Vorrichtung kann auf einem Bildschirm ein größeres Bild projiziert werden, als dies mit der bisherigen Anordnung ohne den feststehenden Spiegel 126 möglich ist.
• c) Mittels einer Feineinstellung der den piezoelektrischen Wandlern aufgeprägten Spannung können mit der Vorrichtung auf derselben Bildschirmfläche Informationen entsprechend einem Mehrfachen der mit der bisherigen Anordnung ohne den feststehenden Spiegel 126 reproduzierbaren Informationen reproduziert werden.
• d) Aufgrund der abnehmbaren Halterung des feststehenden Spiegels 126 kann die Bild- oder Abbildungsgröße beliebig gewählt werden, weil dann, wenn der feststehende Spiegel entfernt ist, ein kleines Bild projiziert wird, während bei angebrachtem feststehenden Spiegel ein vergrößertes Bild reproduzierbar ist.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur zweidimensionalen Umlenkung von Lichtstrahlen,
mit einem Spiegel (8) mit reflektierender Oberseite (7),
mit einem feststehenden Element (1), mit welchem der Spiegel (8) schwenkbar in Kontakt ist, und
mit piezoelektrischen Schichtwandlern (15 a, 15 b), die beim Anlegen einer elektrischen Spannung jeweils eine Längsänderung parallel zur Richtung einer durch den Schwenkpunkt gehenden gedachten z-Achse erfahren, wobei der Spiegel jeweils in Punktkontakt mit den verstellbaren Enden der Wandler steht und wobei die piezoelektrischen Wandler im Abstand von dem Schwenkpunkt angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spiegel (8) in seinem Schwenkpunkt mit seiner Unterseite auf einem mit dem feststehenden Element (1) verbundenen Stützlager (14) ruht,
daß nur zwei piezoelektrische Wandler (15 a, 15 b) jeweils mit einem Abstand in Richtung einer gedachten x-Achse bzw. einer gedachten y-Achse von dem Schwenkpunkt (14) angeordnet sind, wenn die x-Achse und die y-Achse jeweils einander sowie die z-Achse im Schwenkpunkt senkrecht schneiden, und
daß der Spiegel (8) durch ein biegsames Trägerelement (6) schwingungsfähig gehalten und gegenüber dem Schwenkpunkt sowie gegenüber den beiden Wandlern (15 a, 15 b) vorgespannt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (6) biegsame Schenkel (6 a) aufweist, die jeweils mit einem Ende an dem Spiegel (8) und mit dem anderen Ende an dem feststehenden Element (1) befestigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, feststehender Spiegel (126) über dem Spiegel (8) angeordnet und diesem flächig zugewandt ist.