DE3851623T2

DE3851623T2 - Phasengesteuerter lichtablenker.

Info

Publication number: DE3851623T2
Application number: DE3851623T
Authority: DE
Inventors: Jan Grinberg; Thomas O'meara; Yuri Owechko; Melvin Pedinoff; Bernard Soffer
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1987-08-19
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2008-08-13
Also published as: ES2008567A6; JPH02500622A; EP0352302A1; EP0352302B1; WO1989001647A1; DE3851623D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Strahllenkung und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum schnellen Ändern des Ablenkungswinkels eines auf eine Anordnung von Strahlablenkungsvorrichtungen auftreffenden optischen Strahles.
Aus der US-A-4 639 ist eine optische Strahlablenkungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, welche eine statische Ablenkvorrichtung für einen Infrarot- Strahl aufweist. Diese Ablenkungsvorrichtung weist Gitteranordnungen des flachen Typs auf. Eine periodische Steuerspannung mit einer Stufenwellenform mit N Stufen wird über eine Flüssigkristallschicht angelegt, um örtliche Variationen des Brechungsindexes darin zu erzeugen, wodurch ein Infrarotbeugungsgitter mit einstellbarem Abstand eingerichtet wird.
Aus der US-A-3 787 111 ist ein elektrooptisches Gitter des flachen Typs zum Auslenken eines Lichtstrahles bekannt. Das optische Gitter ist durch eine Anordnung einer Mehrzahl von Streifenelektroden auf einer einzigen Hauptoberfläche eines elektrooptischen Kristalles zur Verfügung gestellt. An jede Elektrode werden zeitvariable lineare Sägezahnspannungs-Potentiale angelegt. Die Anregelzeiten dieser angelegten Sägezahnspannungen variieren für aufeinanderfolgende Elektroden, so daß die Phasenverschiebung, die der sich senkrecht zur Hauptoberfläche durch den Kristall fortpflanzende optische Strahl durchmacht, im wesentlichen linear mit der Wegstrecke entlang der Oberfläche in einer Richtung senkrecht zu den Streifenelektroden variiert. Dadurch wird der optische Strahl durch einen Winkel abgelenkt, der gleichermaßen linear mit der Zeit variiert.
Die Lenkung von optischen Strahlen hat eine erhöhte Wichtigkeit erlangt in dem Maße, in dem solche Strahlen für Kommunikationen und Waffensysteme vermehrt verwendet werden. Herkömmliche Verfahren zum Lenken von optischen Strahlen umfassen bewegliche Reflektoren oder Refraktoren und die elektromechanische Lenkung von Anordnungen von Deflektoren, von denen jeder einen Abschnitt des Strahles parallel zu den weiteren Deflektoren in der Anordnung lenkt. Solche Strahllenkungsverfahren sind zunehmend wichtiger geworden, als verschiedene Anwendungen aufgetaucht sind, bei denen eine hohe Phasenkohärenz und Nachführgenauigkeit erforderlich sind. Insbesondere die Propagierung von parallelen Lichtstrahlen wie Laserlicht über weite Entfernungen macht es erforderlich, daß ein solcher paralleler Strahl einen relativ großen Durchmesser aufweist, seine Phasenkohärenz beibehält, eine sehr geringe Streuung des Lichtes beim Ablenkungsvorgang zur Verfügung stellt, und mit sehr hoher Genauigkeit gezielt wird. Diese Erfordernisse sind mit Verfahren des Standes der Technik schwer zu erzielen, wenn von dem Strahllenkungsgerät hohe Winkelablenkungsraten verlangt werden. Diese Verfahren sind insbesondere unzureichend, wenn Strahlen mit großen Durchmessern von mehr als etwa 20 cm Durchmesser gelenkt werden sollen.
Die Anwendung herkömmlicher mechanischer Verfahren erfordert es, daß solche Strahllenkungsvorrichtungen ein geringes Trägheitsmoment aufweisen und eine minimale Verzerrung verursachen, während sie schnell nachgeführt werden. Frühere Versuche, eine Lenkung von optischen Strahlen zu erreichen, umfaßten relativ große Einzelreflektoren sowie Anordnungen kleinerer Reflektoren und Refraktoren. Bei diesen Versuchen gibt es jedoch schwerwiegende Probleme. Phasengesteuerte Anordnungen mit vielen beweglichen Teilen sind kompliziert und teuer zu konstruieren, können nur eine begrenzte Winkelauslenkung akkommodieren, und sind relativ schwierig zu kalibrieren und miteinander zu synchronisieren. Große Reflektoren können mit großen Durchmessern und hochgenauen Oberflächen konstruiert werden, um die Phasenkohärenz zu bewahren und somit einen parallelen Strahl zur Verfügung zu stellen. Solche Reflektoren weisen jedoch relative große Trägheitsmomente auf und erfordern somit eine hohe Antriebsleistung, wenn eine schnelle Strahllenkung erforderlich ist. Jeder. Versuch, das Gewicht und die Trägheit eines solchen Systems zu verringern, führt mit Wahrscheinlichkeit dazu, daß eine Verzerrung eingeführt wird, wenn die mit schneller Winkelstrahlbewegung assoziierten Beschleunigungen auftreten. Einige Ansätze, die Flüssigkristallanordnungen verwenden, sind für die räumliche Intensität der Positionsbestimmung vorgeschlagen worden, aber solche Systeme waren in erster Linie auf Phasenkonjugation und andere Anwendungen zur Intensitätsmodifikation bezogen. Die Verwendung herkömmlicher elektrooptischer Scanner ist auf ähnliche Weise eingeschränkt, da keine Kristalle mit großen Durchmessern verfügbar sind. Des weiteren sind sehr hohe Spannungen erforderlich, um die Phasenverschiebungen bei solchen Scannern zu erzeugen, und die verfügbaren Auslenkwinkel sind beschränkt.
Aus dem oben Gesagten geht hervor, daß moderne Systeme, die Laser für Kommunikation und Waffen anwenden, einen noch unbefriedigten Bedarf nach schnellen Strahldeflektoren hervorgerufen haben, die die räumliche Phasenkohärenz und Oberflächengenauigkeit über große Blenden beibehalten und in der Lage sind, Lichtstrahlen über große Entfernungen mit minimaler Streuung und Energieverlust aufgrund von Phasenüberlagerung zu propagieren.
Die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 und 5 stellt eine schnelle optische Strahllenkungsvorrichtung zur Verfügung, die keine beweglichen Teile enthält und einem Aufbau zugänglich ist, der einen Strahl mit relativ großem Durchmesser akkommodieren kann, über relativ große Winkel nachgeführt werden kann, und über einen großen Strahllenkungswinkel eine hohe Phasenkohärenz und eine geringe Strahlstreuung aufrechterhält. Des weiteren ist das Strahllenkungsgerät der vorliegenden Erfindung relativ einfach herzustellen und in optische Systeme einbaubar sowie leicht steuerbar durch relativ einfache Elektronik- und Computersteuersysteme, die in andere periphere Systeme eingebaut werden können.
Das Gerät der vorliegenden Erfindung verwendet eine Anordnung von Strahlablenkungselementen, die einen auf die Anordnung einfallenden optischen Strahl auf einen Winkel lenken, der zu dem eintretenden Strahl in einer Beziehung steht und von einem an die Elemente der Anordnungen angelegten elektrischen Signal bestimmt ist. Das Element der Anordnung kann in Abhängigkeit von der Geometrie des eintretenden und reflektierten Strahls entweder transmissiv oder reflektiv sein und erhält die Phasenkohärenz durch periodische Rückstellungen der Anordnungselemente, Modulo-2π aufrecht, um die Notwendigkeit zu vermeiden, die Offset-Phasen des Elementes der Anordnung über mehr als eine begrenzte Anzahl von Mehrfachen von 2π zu modulieren. Somit kann die optisch phasengesteuerte Anordnung der vorliegenden Erfindung große Auslenkwinkel mit minimalen Phasenverschiebungen in einzelnen Elementen akkomodieren sowie mit Offset-Phasen von Zwischenelementen, die im allgemeinen kleiner als 2π Radianten sind.
Die Anordnung der vorliegenden Erfindung besteht somit aus einer Ebene von linearen Anordnungselementen, von denen jedes in der Lage ist, in dem auf es einfallenden Abschnitt Lichtstrahl eine Phasenverschiebung einzuführen, was ausreichend ist, um die austretende Wellenfront über einen Winkel zu beugen, der bei Koordinierung mit danebenliegenden Elementen ausreichend ist, um eine Ablenkung des gesamten Strahles über einen gewünschten Winkel zu verursachen. Durch die Verwendung von gelegentlichen Modulo-2π Störungen von den linearen progressiven Phasenverschiebungen, die der Anordnung normalerweise abverlangt werden, kann die erforderliche Dicke der Flüssigkristallzellen zum Erzeugen der progressiven Phasenverschiebung verringert werden und somit die Zeit verkürzt werden, die nötig ist, um eine vorgegebene Veränderung in der Strahlwinkelablenkung zu erreichen. Des weiteren brauchen die Elemente der Anordnung keine Beugungsverluste erzeugen, die wesentlich größer sind als der Strahlablenker mit idealer linearer Phasenverschiebung.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im folgenden als "BLAZED PHASED ARRAY" bezeichnet werden soll, können Flüssigkristall-Strahldeflektoren als die Elemente der Anordnung entweder in einer reflektiven oder einer transmissiven Mode verwendet werden. Die effektive Flüssigkristall-Doppelbrechung solcher Strahlablenkungselemente hängt von der über den Flüssigkristall angelegten Spannung ab und variiert ungefähr linear über den Kristall mit der angelegten Spannung. Es können zwei Schichten solcher Flüssigkristalle verwendet werden, um einen sowohl in Azimut als auch elevation relativ zu der gemeinsamen Achse der Anordnungen zweidimensional gesteuerten Strahl zur Verfügung zu stellen.
Da der Brechungsindex des Elementes über das Element hinweg von der über die leitfähige Oberfläche zwischen den beiden das Element befestigende Elektroden variiert werden kann, ist eine solche Anordnung ähnlich zu den auf dem optischen Gebiet bekannten "Blazed" Beugungsgittern, bei denen die Gitternlinien in Winkeln relativ zu der Gitteroberfläche angeordnet sind, um eine effektivere Strahlablenkung in einem gewünschten Winkel zu erzeugen.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beispielsweise zur Verwendung in Systemen, die die maximale Ansprechgeschwindigkeit verlangen, kann ein Aufbau verwendet werden, der eine flache Anordnung anwendet, die äquivalent ist zu den in der Technik bekannten adaptiven phasenkonjugierten Systemen mit einem "Kolbenelement". Bei einer solchen Anordnung ist an jedes Element eine einzige Spannung angelegt, und daher ist an den auf jedes der Anordnungselemente auftreffenden Strahles ein einziger Brechungsindex angewendet. Der hauptsächliche Nachteil, der mit dem Ansatz des Kolbenelementes verbunden ist, ist der relativ kleinere Winkel, über den ein auf eine Anordnung dieser Elemente auftreffender Strahl gelenkt werden kann wegen der geringeren intrinsischen Effektivität des Ansatzes mit einem solchen flachen Phasengitter bei größeren Ablenkungswinkeln. Wenn Lichtstrahlen jedoch mit maximaler Geschwindigkeit abgelenkt werden sollen, ist die flache Anordnung der "blazed" Anordnung überlegen, da bei diesem Ansatz eine dünnere Flüssigkristallzelle benötigt wird und eine dünnere Zelle schneller anspricht.
Ein Flüssigkristall-Strahlablenkungselement von dem in der vorliegenden Erfindung eingebauten Typ kann in einer Anordnung solcher Strahlelemente gefunden werden, welche Streifen von Flüssigkristalldeflektoren aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Streifen können eine Reihe von Elektroden enthalten, die es den unterschiedlichen Abschnitten des Streifens erlauben, steuerbare Phasenverschiebungen in einen Lichtstrahl einzuführen. Diese Abschnitte der Flüssigkristallstreifen können individuell so angesteuert werden, daß der sich ergebende Brechungsindex des Streifens die gewünschte Phasenverschiebung erzeugt und proportional zu der über die Elektroden angelegten Spannung ist. Solche Elementanordnungen können übereinander geschichtet sein, um die gewünschten Phasenverschiebungen mit dünneren Zellen zur Verfügung zu stellen, wodurch sie die Ansprechgeschwindigkeit, den Beugungsgrad und die Fähigkeit der Lenkung durch Azimut und Elevation über gleichzeitige Eingänge an die für diese Winkel erforderlichen Schichten von Elementen verbessern.
Aus dem oben Gesagten wird deutlich, daß das Gerät und das Konzept für die optisch phasengesteuerte Strahllenkung ein schnelles und genaues Mittel zum Lenken eines großen optischen Strahls über relativ große Winkel ermöglicht, während es die Phasenkohärenz und die hohe optische Qualität in dem gelenkten Strahl aufrechterhält. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, die die Merkmale der Erfindung beispielhaft veranschaulicht.
Es zeigt:
Fig. 1 ein perspektivisches Schemadiagramm der Hauptbestandteile der Erfindung.
Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht der phasengesteuerten Anordnung der vorliegenden Erfindung, welche ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht, bei dem zwei senkrecht zueinander ausgerichtete planare Anordnungen verwendet sind, um eine zweidimensionale Strahllenkung zur Verfügung zu stellen.
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Flüssigkristall-Strahllenkungselementes von dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten Typ, welche die Beziehung zwischen dem einfallenden Strahl und dem abgelenkten Strahl in der transmissiven Mode erläutert.
Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines in der planaren Anordnung der vorliegenden Erfindung verwendeten Flüssigkristall-Strahllenkungselementes.
Fig. 5 eine perspektivische Explosionsansicht zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen den beiden Schichten der Strahlablenkungsanordnungen von Fig. 2 und der durch die Verwendung einer solchen Anordnung ermöglichten zweidimensionalen Strahlablenkung.
Fig. 6 eine perspektivische Phantomansicht eines Abschnittes einer Flüssigkristall-Plattenanordnung von dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten Typ, welche die Beziehung zwischen den verschiedenen Bestandteilen der Anordnung und dem einfallenden Lichtstrahl veranschaulicht.
Fig. 7 eine Veranschaulichung der Beugungswirkungsgrade in Abhängigkeit vom Auslenkwinkel für den flachen Typ oder den Kolbentyp der phasengesteuerten Anordnung und der idealisierten blazed phasengesteuerten Anordnung.
Fig. 8 eine Veranschaulichung der Phasenverschiebungsverteilung eines flachen oder Kolbengittersystems für allgemeine Auslenkwinkelbedingungen.
Fig. 9 eine Veranschaulichung des flachen oder Kolbengittersystems der vorliegenden Erfindung unter maximalen Auslenkwinkelbedingungen.
Fig. 10 eine Veranschaulichung der theoretischen, normalisierten Doppelpaßphasenverschiebungen einer erfindungsgemäßen Anordnung in Abhängigkeit von der an einen Flüssigkristallstreifen in der Anordnung angelegten normalisierten Spannung.
Fig. 11 eine Veranschaulichung der Doppelbrechung und der Pfadphasenverschiebung in Abhängigkeit von der an eine typische Flüssigkristallzelle von dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten Typ angelegten Spannung.
Fig. 12 ein Diagramm der Strahlverdunklung durch die Elektroden in Flüssigkristallzellen für die Strahlablenker der vorliegenden Erfindung.
Fig. 13 eine Veranschaulichung des Entwurfs für eine "blazed" phasengesteuerte Anordnung für eine ideale Wellenfront.
Fig. 14 eine Veranschaulichung der Anordnung von gelenkten Elementen der vorliegenden Erfindung mit Modulo-2π Übermaß-Phasenentfernung für jedes Element.
Fig. 15a eine Darstellung der gesteuerten Wellenfront in Abhängigkeit von der Eingangswellenfront für einen idealen Lenkspiegel.
Fig. 15b eine Darstellung der Phase für die Elemente einer "blazed" Phasenanordnung mit von der Wellenfront von 15a subtrahierten Modulo-2π Wellenlängen.
Fig. 15c eine Darstellung der zur Herstellung der Phasenverschiebungen von Fig. 15b an die Elektrode jeder Flüssigkristallzelle angelegten Spannung.
Fig. 16 eine Veranschaulichung der Phasenbeziehungen einer "blazed" phasengesteuerten Anordnung der vorliegenden Erfindung, die verwendet wird, um die für jedes Element erforderliche Phasenverschiebung zu berechnen.
Fig. 17 ein Blockdiagramm der verschiedenen Elemente der vorliegenden Erfindung, welches die Beziehung zwischen der Strahllenkungsanordnung und ihren unterstützenden Untersystemen veranschaulicht.
Fig. 18 eine Veranschaulichung eines Packungskonzeptes für eine Treiberschaltung mit höherer Dichte für die Flüssigkristall-Strahlablenkungsanordnung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 19a eine vereinfachte schematische Veranschaulichung der Ablenkungsbeziehungen beim maximalen Auslenkwinkel für ein "blazed" hybrides Auslenkelement.
Fig. 19b eine Veranschaulichung der Beziehung zwischen den Ausgangsstrahlpfaden für einen Zwischenabrasterwinkel für einen "blazed" hybriden Scanner.
Wie in den beispielhaften Zeichnungen gezeigt ist, ist die Erfindung als eine Anordnung von linearen optischen Elementen 2 ausgeführt, die dazu dienen, einen auf die Oberfläche der Anordnung durch einen Winkel R relativ zu dem Eingangsstrahl 4 einfallenden Lichtstrahl 4 abzulenken, um einen Ausgangsstrahl 8 zu erzeugen. Der Ablenkungswinkel des Strahles kann durch die Steuerung von individuellen optischen Elementen 10 gelenkt werden, die von einem Fernsteuerungssystem 12 koordiniert sind, das durch eine mit Steuerelektronik und Verknüpfung verbundene, zu den Anordnungselementen 10 benachbart angeordnete Verkabelung 14 mit der Anordnung 2 verbunden ist. Ein Computer 18 kann verwendet werden, um einen programmierten Steuerungseingang über das Kabel 20 an das Steuersystem 12 zur Verfügung zu stellen. Die optischen Elemente 10 sind von dem Typ, die die Ablenkung eines optischen Strahles durch einen Winkel verursachen, der ungefähr proportional zu der an das Element angelegten Spannung ist.
Die Ablenkung von optischen Strahlen mit relativ großem Durchmesser und hoher Energie ist bei modernen Hochleistungssystemen für Laserkommunikation und Waffensysteme ein wichtiges technologisches Element. Herkömmliche Mittel zur Ablenkung oder Lenkung solcher Strahlen basieren auf elektromechanischen Elementen, deren Fähigkeit zur schnellen Lenkung über große Winkel im Falle von großen einzelnen Reflektoren oder im Falle von kleinen elektromechanischen Subreflektoren aufgrund der mit der Herstellung von großen Anordnungen verbundenen Komplexität und der mechanischen und elektronischen Schwierigkeiten beschränkt ist. Des weiteren begrenzen die hohen Trägheitsmomente, die mit großen elektromechanischen Reflektoren und Teleskopen verbunden sind, wesentlich ihre Fähigkeit, den Erfordernissen für große Lenkwinkel und kurze Ansprechzeiten zu entsprechen. Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Probleme und stellt eine Lösung für die Aufgabe der Aufrechterhaltens einer hohen Phasenkohärenz und einer geringen Streuung für ein Strahllenkungsgerät zur Verfügung, das in der Lage ist, einen Lichtstrahl mit einem großen Durchmesser schnell über einen relativ großen Winkel zu lenken.
Insbesondere und als Beispiel ist die vorliegende Erfindung ausgeführt als eine phasengesteuerte Anordnung 2 von Flüssigkristall-Strahlablenkungselementen 10, die einen variablen Index in Abhängigkeit von der an die individuellen Flüssigkristallzellen angelegten Spannung aufweisen. Die linearen Zellen 10 der vorliegenden Erfindung können geschichtet werden, um eine zweidimensionale Anordnung von Elementen 2 zu schaffen, wobei jede Zelle einer koordinierten Steuerung unterliegt, um einen gewünschten Ablenkungswinkel herzustellen. Durch die Bestimmung der für einen gewünschten Ablenkungswinkel geeigneten Spannungen an aufeinanderfolgende Reihen der Anordnung kann dem eintretenden Strahl eine Wellenfront mit einer guten räumlichen Phasenkohärenz auf erlegt werden. Die Schichtung zweier solcher Anordnungen entlang der Achse des eintretenden Strahles mit den senkrecht zueinander liegenden Zellenreihen kann ein Strahllenkungsgerät hervorbringen, das die Lenkung des Strahles sowohl in Azimut als auch Elevation relativ zu dem eintretenden Strahl ermöglicht. Da typischerweise hunderte bis tausende von Elektroden benötigt werden, kann die Strahllenkungsanordnung vorteilhaft als eine einzige Einheit hergestellt werden, die an der Peripherie der Anordnung eine Steuerelektronik aufweist, die durch relativ einfache Signale mit geringer Spannung von einem externen elektronischen Steuersystem gesteuert werden kann, das die elektrischen Signale proportional zu dem gewünschten Lenkwinkel liefert. Ein solches Steuersystem kann überwacht und Eingänge von einem Computer erzeugt werden, der mit der Logik programmiert ist, die erforderlich ist, um die gewünschten Strahllenkungswinkel zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 der beispielhaften Zeichnung ist die vorliegende Erfindung ausgeführt als ein Strahlablenkungsgerät, das eine Anordnung 2 von Strahlablenkungselementen 10 aufweist, welche einen eintretenden optischen Lichtstrahl 4 in einem Winkel R ablenken, um einen Ausgangsstrahl 8 zu erzeugen. Die optischen Strahlablenkungselemente 10 dienen dazu, einen Abschnitt eines auf sie auftreffenden Strahles individuell über einen Winkel abzulenken, der proportional ist zu einer Spannung, die von den in Nachbarschaft zu der Anordnung 2 von Elementen 10 angeordneten Treiberelektronik 16 über das Element angelegt ist. Die Steuerelemente 10 der Treiberelektronik 16 sind in gegenseitiger Nähe in zwei Reihen 22 angeordnet, um eine zweidimensionale Anordnung 2 zu bilden. Eine externe Steuerelektronik 12 dient dazu, über das Kabel 14 Steuersignale an die Treiberelektronik 16 zu liefern, um die Ablenkung des Strahles 8 zu koordinieren und zu steuern. Ein externer Computer 18 kann Befehle an die Steuerelektronik 12 über das Kabel 20 überwachen und senden, um die Strahllenkungswinkel zu bestimmen. Während Fig. 1 die Lenkung eines Lichtstrahles durch transmissive Beugungselemente veranschaulicht, ist der Betrieb eines solchen Systems unter Verwendung von reflektiven Elementen oder einer Kombination von refraktiven und reflektiven Elementen ähnlich. Die Anordnung 2 kann aus zwei individuellen eindimensionalen Anordnungen gebildet sein, die Oberfläche an Oberfläche oder in nächster Nähe mit ihren Reihen senkrecht zueinander angeordnet sind, um dadurch eine zweidimensionale Lenkfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
Fig. 2 veranschaulicht in etwas mehr Einzelheiten die optische Anordnung der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung besteht aus Zeilen 22 von Anordnungselementen 10, die eine spezifische Winkelablenkung eines Segmentes des einfallenden Strahles bestimmen. Die Zeilen 22 sind parallel zueinander und nebeneinander angeordnet, um die Anordnung 2 fertigzustellen. Die Treiberelektronik 16 ist in dem an die Anordnung angrenzenden Rahmen 26 angeordnet. Die Verkabelung 28 verbindet die Treiberelektronik mit den Zeilen 22 von Elementen 10 in der Anordnung. Eine zweite Anordnung 30 kann in einer koplanaren Position mit der ersten Anordnung 2 angeordnet sein. Die zweite Anordnung 30 ist so angeordnet, daß die Zeilen 32 der Anordnung 30 senkrecht zu den Zeilen 22 verlaufen, wodurch ein Mittel zur Verfügung steht, um den Strahl in einer Richtung abzulenken, die senkrecht zu derjenigen ist, in der die Anordnung 2 einen Strahl ablenkt.
Wie oben erläutert, weisen Flüssigkristallvorrichtungen einige Vorteile gegenüber sowohl herkömmlichen elektrooptischen Scannern als auch mechanisch abgetasteten Spiegeln in einer Vielzahl von Anwendungen optischer Systeme auf. Die große elektrisch variable Anisotropie von Flüssigkristallen kann dazu verwendet werden, um optische Phasenverschiebungen über benachbarte Bereich eines kohärenten optischen Strahles zu erzeugen, der die Flüssigkristallschicht durchläuft, was in einer phasengesteuerten optischen Anordnung mit hoher Dichte resultiert, die über einen beträchtlichen Winkelbereich schnell gelenkt werden kann.
Fig. 3 zeigt eine Veranschaulichung eines Flüssigkristallelementes 10 von der in der optischen Anordnung 2 der vorliegenden Erfindung verwendeten Art, welche einen örtlichen Flüssigkristallbereich 36 zeigt mit Elektroden 38, 46 aus für sichtbare Wellenlängen durchsichtigem Indiumzinnoxid (ITO) und Aluminiumtreiberelektroden 40. Die über den örtlichen Bereich des Strahles 4 induzierte optische Pfadabweichung kann bei einer Dicke der Schicht 36 von 10 um bis zu 2,5 um (einzelner Strahldurchgang) hoch sein kann, wodurch der abgelenkte Strahl 8 erzeugt wird. Die bei einem vorgegebenen Zellenaufbau tatsächlich verfügbare Pfadabweichung ist in Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem Aufbau der Auslenkparameter. Die effektive Flüssigkristall- Doppelbrechung (Δn) hängt von der angelegten Spannung ab, und von einer ersten Annäherung weicht sie linear mit der Spannung ab. Daher ist die Phasenschwankung ΔΦ über eine Zelle
wobei t die Flüssigkristalldicke und x die Koordinate entlang der Zelle ist.
Durch die Konstruktion einer Flüssigkristallvorrichtung mit vielen nebeneinanderliegenden, elektrisch einstellbaren optischen Phasenschiebern ist es möglich, einen optischen Strahl über einen relativ großen Winkel (z. B. ± 20º) zu lenken, ohne schwerwiegende Verluste in der Strahlleistung zu verursachen. Die Kombination mehrerer Flüssigkristallvorrichtungen mit einem Spiegel 42 verursacht die durch jede der Schichten induzierte optische Phasenverschiebung eine Verdoppelung durch die Reflexion. Die Elektroden für jede Schicht können dann wie oben erläutert angeordnet werden, um den Strahl in einer spezifischen Ebene abzulenken, um ein orthogonales Zweiachsen-Ablenkungssystem zu erzeugen. Für Anwendungen bei Infrarot (IR)-Wellenlängen können spezifische transparante Leitermaterialien (TCM) gewählt werden, um die Funktion der ITO-Schichten durchzuführen.
Das grundlegende Strahllenkungssystem mit einer phasengesteuerten Flüssigkristall (LC)-Anordnung der vorliegenden Erfindung weist mehrere Typen von "blazed" Anordnungsscannern auf. Die aktiven LC-Bereiche sind dünne, flache Schichten (2 bis 20 um), die zwischen flachen, teilweise leitenden transparenten Streifenelektroden (wie etwa ITO) enthalten sind und von langen, relativ dünnen und schmalen Aluminiumelektroden angetrieben sind. Der Ausdruck "blazed" bezieht sich auf die Flanken der optischen Wellenfronten, die die Flüssigkristallbereiche anregen. Die "blazed" phasengesteuerte Anordnung bietet die Vorteile eines hohen Wirksamkeitsgrades der Beugung bei großen Auslenkwinkeln und Merkmale von relativ größeren elektrischen Schaltungselementen im Vergleich mit anderen Ansätzen. Für viele Anwendungen führen die existierenden Flüssigkristallansprechzeiten zu zufriedenstellenden Strahlablenkungszeiten. Bei längeren Wellenlängen, oder wenn maximale Ansprechgeschwindigkeiten nötig sind, kann ein Scanner mit "flacher" phasengesteuerter Anordnung analog zu dem sogenannten "Kolben"-Strahlablenker eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sein. Eine solche "flache" phasengesteuerte Anordnung kann vorgegebene Ablenkungswinkel in einer dünneren Flüssigkristallschicht herstellen als der "blazed" Typ, welcher wiederum zu einer schnelleren Ansprechzeit der Vorrichtung führt. Kombinationen dieser Techniken können für gewisse Anwendungen nützlich sein, und diese Kombination kann erreicht werden, indem man die Elektroden 40 in jeder der Zellen 10 miteinander verbindet und jede Zelle mit einer geeigneten Spannung antreibt, um eine spezifische Strahlablenkung und -phase zu erzeugen.
Fig. 4 veranschaulicht das allgemeine Konzept einer Flüssigkristall-Strahllenkungsanordnung 2 mit "blazed" Phasengitter von dem Typ, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die ITO-Schichten 38, 46 (ITO wird hier als ein typisches transparentes Elektrodenmaterial verwendet) sind optisch transparente Leiter, die die Vorspannungen an die Flüssigkristallschichten 36 liefern. Die Elemente 40 auf den ITO 38, 46 sind Aluminium-busbars, die von einer (hier nicht näher dargestellten) Treiberelektronik 16 angesteuert werden, um einen Spannungsgradienten über die ITO-Schichten 38, 46 zu erzeugen, die wiederum einen linearen Spannungsgradienten über den Flüssigkristallbereich 36 der Vorrichtung erzeugt. Der Rest eines für die vorliegende Erfindung geeigneten LC-Zellenaufbaus würde ein flaches Abdecksubstrat 44 aus Glas, Silizium, Germanium oder einem weiteren geeigneten optischen Material, eine Schicht von ITO 46 und Schichten von Siliziumdioxid (SiO&sub2;) 48 benachbart zu der Flüssigkristallschicht 36 umfassen. Ein flaches Substrat 50 stellt eine solide Befestigungsbasis für das Zellenelement 10 zur Verfügung.
Fig. 5 ist eine Veranschaulichung der Anordnung von zwei kaskadierte LC-Ablenkungsanordnungen 2, und 30 mit einem Reflektor 42, wodurch gewährleistet wird, daß die einfallende Lichtstrahlwelle 4 zweimal durch jedes Brechungsmedium läuft, wodurch sie zweimal die von jeder Zelle hervorgerufene Phasenverschiebung induziert. Durch die orthogonale Anordnung der Geometrie der Elektroden 40 in Anordnungen 2 und 30 kann der Strahl 4 durch die geeignete Wahl von Antriebsspannungen für die Kombination der Elektroden 22 und 23 in zwei Dimensionen gelenkt werden.
Fig. 6 veranschaulicht den Aufbau eines nicht in der beanspruchten Erfindung enthaltenen Strahlablenkers 3 mit einem flachen einachsigen Gitter. Die ITO-Streifenelektroden 38 sind individuell elektrisch angetrieben, um die zur Lenkung des Strahles in eine spezifische Richtung an jedem Element erforderliche optische Phasenverschiebung zu erzeugen. Die Aluminiumelektroden 40 sind von einer (hier nicht näher dargestellten) Treiberelektronik 16 angetrieben, um einen Spannungsgradienten über die ITO-Schicht 38 und 46 zu erzeugen, der wiederum einen linearen Spannungsgradienten über den Flüssigkristallbereich 36 erzeugt. Analog zu Antennen mit mikrowellen-phasengesteuerter Anordnung bestimmt das Elementmuster den Auslenkbereich der Anordnung, und je größer die Elementgröße, desto geringer ist der Auslenkbereich. Wenn die Elementgröße sehr klein gemacht wird, um den Auslenkwinkelbereich zu vergrößern, erhöht sich die Anzahl von Elementen und die Anzahl von elektrischen Treiberschaltungen. Beispielsweise kann ein 10 um großes Element ± 35º Auslenkung erzeugen, während ein Element mit 2 um Größe 18º Auslenkung ergibt. Für eine 50 cm-Anordnung erfordert das 2 um-Element 250.000 Treibersignale. Im Vergleich kann dieses gleiche System bei Betrieb 10 um breiten Elementen bei einer Wellenlänge von 10 um ±60º unter Verwendung von 50.000 Treibersignalen auslenken.
Der Rest des Aufbaus der LC-Anordnung 3 ist ähnlich zu dem von Fig. 3, indem die Abdeckung 44 aus einem bei der interessanten Wellenlänge transparenten Material gemacht ist und eine ITO-Schicht 46 zwischen der Abdeckung der LC- Schicht 36 angeordnet ist. Bei dieser beispielhaften Zelle, die eher in einer Transmissionsmode als in der Reflexionsmode der in Fig. 3 veranschaulichten Zelle arbeitet, wird ein transparentes Basissubstrat 50 verwendet.
Fig. 7 zeigt Kurven, die die Ergebnisse einer Berechnung der relativen idealen Brechungswirksamkeiten der "blazed" phasengesteuerten Anordnung und der flachen phasengesteuerten Anordnung in Abhängigkeit vom Auslenkwinkel veranschaulichen. Diese Berechnung basiert auf der Beziehung zwischen dem bestimmten Auslenkwinkel und dem maximalen Auslenkwinkel, zum dem die Anordnung fähig ist. Offensichtlich wird die blazed Anordnung effizienter für große Auslenkwinkel aufgrund ihrer Fähigkeit, den Brechungsindex über die Zelle für große Auslenkwinkel zu variieren. Die verbesserte Beugungswirksamkeit des blazed Ansatzes bei großen Auslenkwinkeln im Vergleich mit der "flachen" Scanneranordnung ist durch diese Kurven veranschaulicht.
Die vorliegende Erfindung kann als Alternative als eine Kombination aus den Methoden der phasengesteuerten Anordnung und der "blazed" Elemente in einer optischen Strahllenkungsanordnung konfiguriert sein. Dieser Ansatz ist im nachfolgenden in mehr Einzelheiten erörtert und in den Fig. 19a und 19b veranschaulicht. Ein solches System kann einfach konstruiert werden, so daß es sowohl schneller ist als der Ansatz der rein "blazed" Anordnung als auch im Vergleich mit dem rein flachen oder "phasengesteuerten Anordnung"-Ansatz eine bemerkbar verbesserte Beugungswirksamkeit aufweist. Gleichzeitig ist der Aufbau bemerkbar vereinfacht, da keine Isolierspalte von dazwischenliegenden Elementen verwendet werden. Ein solches System stellt große Ablenkungswinkel zur Verfügung, wobei es nur kleine Phasenverzögerungen pro Element verwendet, und stellt gleichzeitig eine im Vergleich mit dem Ansatz der flachen oder der phasengesteuerten Anordnung eine hohe Wirksamkeit des abgelenkten Strahles zur Verfügung.
Bei jedem der hier erörterten Ansätze können Strahlen mit großem Durchmesser ohne mechanische Bewegung durch die Verwendung von großflächen Flüssigkristallzellen gesteuert werden, welche mit anisotropischen Beugungsindexeffekten arbeiten; diese sind alle sehr effizient im Vergleich mit anderen Entwürfen, die Gitter mit schwachem Index und elektrooptischen Beugungsindexeffekten anwenden.

Anordnung mit flachem Gitter

Fig. 8 veranschaulicht die einfachste Form eines Flüssigkristall (LC)-Gitters des alternativen "flachen" oder "Kolben-Beispiels, das zur Veranschaulichung gegeben ist, aber nicht Teil der beanspruchten Erfindung bildet. Bei dieser Ausführung wird der gewünschte Auslenkbetrieb erreicht durch die Einführung von programmierbaren, stufenartigen Phasenverschiebungen. Die Phasenverschiebungsschritte Φee haben eine Breite W und der Abstand zwischen ihren Mitten P definiert die Basisperiode des zugrundeliegenden Elektrodenaufbaus als Zeile 10. Wie oben erörtert wurde, stellt der Elektrodenaufbau und der zugeordnete LC-Steuerbereich ein Anordnungszeilenelement 10 dar. Jedes Element 10 umfaßt eine einzelne Eingabe-Streifenelektrode 40 aus Metall mit hoher Leitfähigkeit wie Aluminium, da der Widerstand der ITO-Streifen 38 zu hoch ist, um ein schnelles Eingeben von Signalen über den ITO selbst zu ermöglichen. Wie zuvor in Fig. 1, 3 und 4 veranschaulicht wurde, werden die Treiberstreifenelektroden 40 von der in den Rahmen 26 und 30 der Anordnung 2 angeordneten Treiberelektronik 16 betätigt, um Phasenverteilungen gemäß dem in Fig. 8 und 9 abgebildeten Entwurf herzustellen. Solche flache Gitteranordnungen sind optische Analogien von (eindimensionalen) phasengesteuerten Mikrowellenanordnungen und würden übertragen auf die Optik als adaptive optische Kolben"spiegel"systeme bezeichnet werden. Das vorliegende Beispiel umfaßt den besonderen Fall, in dem die Phasenverschiebung der Anordnung schrittweise linear und gleich π ist, mit periodischen Rückstellungen Modulo-2π, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 8 und 9 veranschaulicht ist. Dieser Sonderfall des maximalen Auslenkwinkels ist in Fig. 9 veranschaulicht.
Wenn die progressive Phasenverschiebung von Element zu Element als Φee definiert ist, dann bestimmt diese Phasenverschiebung im wesentlichen den Strahlauslenkwinkel Φscan gemäß der Gleichung
Φscan (Φee/2π) (X/P) (2)
Werte für Φee, die geringer als π sind, können verwendet werden, um den Wirksamkeitsgrad des zeitlichen Ansprechens der Anordnung zu verbessern. Aus Gleichung (2) wird der maximale Auslenkwinkel
(Φscan)max π/km P = (λ/2P) (3)
Die Phasenverschiebungsverteilungen, die nötig sind, um die Bedingungen des maximalen Auslenkwinkels zu schaffen, deren die Anordnung fähig ist, sind in Fig. 9 veranschaulicht. Bei dem maximalen Ablenkungswinkel werden gleiche Leistungen in den ± Beugungsgrößenordnungen gebeugt, und die Strahlleistungen an den Auslenkenden ist auf etwa 41% der Leistung in dem auf der Achse befindlichen Zustand herabgesetzt. Wie oben in Fig. 7 gezeigt ist, sind die idealen Wirksamkeitsgrade der Beugung bei geringeren Ablenkungswinkeln höher, kommen aber immer noch nicht an die Wirksamkeitsgrade der idealen "blazed" phasengesteuerten Anordnung der alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung heran. Bei praktischen Ausführungen stehen Bereichsverluste, die mit den Eingabeelektroden zusammenhängen, auch bei der Verminderung des Wirksamkeitsgrades der Beugung im Vordergrund.

Vergleiche der Flüssigkristall-Ansprechgeschwindigkeit

Fig. 10 veranschaulicht die normalisierten Ansprechgeschwindigkeiten als Funktion der normalisierte Treiberspannung für die Ablenkelemente der vorliegenden Erfindung. Dieses Verhältnis ist definiert durch die Gleichung:
wobei ΔΦ = die Phasenverschiebung, d = die LC-Dicke, K = eine Konstante für einen vorgegebenen LC, N = die Anzahl von Durchgängen, und FAZ = die normalisierte Phasenverschiebung ist.
Die Ansprechempfindlichkeit ist bemerkbar höher bei den höheren Treiberspannungen, die wie in Fig. 10 gezeigt ist, kleineren Phasenveränderungen entsprechen. Die der Kurve von Fig. 10 zugeordneten Gleichungen zeigen, daß die Ansprechgeschwindigkeit für ein vorgegebenes LC-Material vom Quadrat der LC-Dicke d abhängt, welche wiederum nahezu proportional zu dem erforderlichen dynamischen Bereich ist, nämlich dem Bereich, der nach den 2π-Rückstellungen noch akkommodiert werden muß. Da der Rückstellungsprozeß bei dem "flachen" und dem "blazed" System unterschiedlich vor sich geht, ist der erforderliche dynamische Bereich für die beiden Systemklassen nicht gleich, selbst wenn die Phasenverschiebung von Element zu Element gleich ist. Der minimale dynamische Bereich der Phasenverschiebung, der für die ideale blazed Anordnung nötig ist, ist immer größer als für die flache Anordnung und kann bei großen Phasenverschiebungen von Element zu Element wesentlich größer sein.
Die Folge einer erhöhten LC-Schichtdicke ist ein langsameres Ansprechen, wie durch Fig. 10 veranschaulicht wird. Wenn man spezifisch annimmt, daß die Dicke proportional zu der Phasenverschiebung ist, und wenn man annimmt, daß die Ansprechgeschwindigkeit mit dem Quadrat der Dicke ansteigt, dann kann man sehen, daß das Verhältnis der Ansprechgeschwindigkeit des idealen "blazed" Systems zu derjenigen des flachen Systems gegeben ist als

Doppelbrechung und Linearität der Flüssigkristallausrichtung

Die Flüssigkristallkonfigurationen, die für diese Vorrichtung am geeignetsten sind, sind die Anordnungen von parallel ausgerichteten nematischen Flüssigkristallen, bei denen die Flüssigkristallmoleküle beim Fehlen eines elektrischen Feldes nahezu parallel mit der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahles ausgerichtet sind.
Ein spezifischer Flüssigkristall, BDH-E7, der für die Erfindung bewertet wurde, wies bei einer Veränderung der über die LC-Schicht angelegten Spannung eine Veränderung der Doppelbrechung von 0,2 auf. Diese Veränderung der Doppelbrechung ist im Bereich von 1,5 bis 20 um nahezu unabhängig von der Dicke und ist vereinbar mit den oben beschriebenen Erfordernissen für die Strahlablenkelemente.
Fig. 11 veranschaulicht, daß die Veränderung im Index der Flüssigkristall-Doppelbrechung, die durch eine Variation des elektrischen Feldes (Vrms) über die Flüssigkristallschicht erzeugt wird, für den BDH-E7-Kristall nicht linear proportional zu dem elektrischen Feld über seinen gesamten Betriebsbereich ist. Die gleichzeitige Phasenverschiebung bei 0,6328 um in einer 10 um dicken Flüssigkristallschicht ist auf der rechten Ordinate von Fig. 11 abgetragen. Somit, und allgemein gesagt, wenn die über die Segmente der LC-Strahllenkungsvorrichtung angelegten Spannungsgradienten diesen gesamten Spannungsbereich abdecken, dann ist die Phasenverschiebung über das nicht keine lineare Funktion der Position auf dem Kristall. Wenn die an einen BDH-E7-Kristall angelegte Spannung jedoch auf den Betrieb mit linearer Phasenverschiebung beschränkt ist (ungefähr 0,635 bis 1,651 V), dann wird der Phasenverschiebungsgradient in jedem der Segmente auf zwischen 1,4 · 2π und 3,4 · 2π oder auf mehr als 2 · 2π gesteuert. Für eine minimale Ansprechzeit bei dem Entwurf der blazed phasengesteuerten Anordnung muß die Phasenflanke über jedes der Segmente geringer als oder gleich 2π sein, und das Phasen- Offset an einer Kante jedes der Segmente muß geringer als oder gleich 2π sein. Aus dem oben Gesagten läßt sich ersehen, daß die Anforderungen an die Phasenverschiebung bei der Anordnung der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung des Bereiches des Flüssigkristalls mit linearer Flanke erfüllt werden können. Dieses Merkmal ist äußerst wichtig, da es zuläßt, daß die Phasenverschiebung eine lineare Funktion der Position über die Anordnung ist, was die Verluste an in nicht nützliche Richtungen gebeugter Energie minimiert. Dieses Ergebnis ist auch für die dickeren Flüssigkristallschichten bei dieser Wellenlänge gültig, da die Phasenverschiebung größer, aber immer noch linear ist. Wenn die Schichtdicke abnimmt oder die Wellenlänge zunimmt, kann der Bereich der linearen Phasenverschiebung kleiner als 2 · 2π werden. In diesem Fall können die Treiberspannungen in einigen der Elemente einen zeitweiligen Ausflug in den nicht-linearen Bereich machen, wodurch sie einen geringen Abfall der optischen Wirksamkeitsgrades verursachen.
Bei längeren Wellenlängen und großen Auslenkwinkeln sind große Spannungsauslenkungen erforderlich, um die erforderlichen Phasenverschiebungen zu erhalten. Die durch eine Flüssigkristallschicht erzeugte Phasenverschiebung ist jedoch nicht eine genau lineare Funktion der angelegten Spannung, wie in Fig. 11 veranschaulicht ist. Des weiteren ist es nicht möglich, die Übertragungscharakteristik einfach zu linearisieren, indem man die Spannungsauslenkung auf einen sehr engen Bereich um einen Betriebspunkt einengt, da dieser Ansatz dickere LC-Schichten erfordert, um die erforderlichen dynamischen Bereich zu erhalten, und relativ geringe Ansprechgeschwindigkeiten wären das Ergebnis. Somit weicht die Phasenverschiebungsflanke bei den Bedingungen, die man normalerweise bei großen Auslenkwinkeln antrifft, von den idealisierten linearen Bereichen ab, und daraus ergibt sich ein Verlust im Wirkungsgrad der Beugung.

Wirkungsgrad der optischen Übertragung durch Flüssigkristall

Fig. 12 veranschaulicht den Aufbau eines Abschnittes einer Flüssigkristall-Strahllenkungszelle zu dem Zweck, die Blockierung durch die Elektroden 40 zu zeigen. Dieser Aufbau enthält Paare von Aluminiumstreifen 40, die jeweils 1,5 um breit und in einer Anordnung mit einem Abstand von 20 um von Mittelpunkt zu Mittelpunkt durch einen 1,5 um breiten Spalt getrennt sind. Diese Elektrodenanordnung reflektiert die auf die 1,5 um breiten Streifen einfallende Energie und verursacht eine falsche Phasensteuerung der auf die 1,0 um breiten Räume einfallenden Energie, wodurch ein Netto-Übertragungsverlust in dem System verursacht wird. Dieser Verlust beträgt bei diesen Abmessungen der Anordnung ungefähr 20%. Viele der Parameter, wie Ansprechgeschwindigkeit, Wirksamkeitsgrad, maximaler Ablenkungswinkel, Strahlgröße und Anzahl von Elektroden, stehen in gegenseitiger Beziehung, und eine breite Vielfalt von gegenseitigen Beeinflussungen kann analysiert werden, um die Parameter der Anordnung zu optimieren. Wenn die Anordnung beispielsweise auf einen Abstand von 40 um ausgeweitet wird, wird der Verlust auf 10% reduziert, aber die erhöhte Flüssigkristalldicke resultiert in einem Verlust an Ansprechgeschwindigkeit, wodurch die Strahlrotationsgeschwindigkeit herabgesetzt wird.
Es besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen der Strahllenkungszeit und dem optimalen Wirkungsgrad für einen spezifischen maximalen Auslenkwinkel. Wenn man die Anforderungen an den Auslenkwinkel verringert, kann die Segmentbreite der Auslenkanordnung und gleichzeitig die Filmdicke erhöht werden, um bei der gleichen Lenkrate einen höheren optischen Wirksamkeitsgrad zu erhalten. Verfahren für die Durchführung von mehrfachen Durchgängen des optischen Strahles durch die Strahllenkungszelle können theoretisch die Winkelablenkung erhöhen, aber der Wirksamkeitsgrad der Übertragung wird bei jedem Durchgang herabgesetzt. So verringert ein zweifacher Durchgang durch eine einzige Zelle den Wirksamkeitsgrad von 80% auf 64%.

Die "blazed" phasengesteuerte Anordnung

Ein alternatives Mittel der Lenkung eines sich anfänglich in eine spezifische Richtung propagierenden optischen Strahles in eine neue Richtung ist es, eine lineare Phasenverschiebung entlang der Wellenfront des Strahles an einer spezifischen Stelle hervorzurufen. Fig. 13 veranschaulicht die Geometrie, die mit solchen Phasenverschiebungen der Wellenfront verbunden ist. Der vertikale Abstand an jedem Punkt der gelenkten Wellenfront repräsentiert eine optische Phasenverschiebung, berechnet auf der Basis des Verhältnisses aus diesem Abstand und der optischen Wellenlänge. Bei dem in Fig. 12 gezeigten übertriebenen Beispiel für das Konzept der Strahllenkung ist eine optische Wellenfront entlang der gelenkten Wellenfront abgestuft. Jede dieser Wellenlängenstufen, die eine optische Phasenverschiebung von 360º (oder unsere Wellenlänge λ) repräsentiert, kann aus der planaren Wellenfront entfernt werden, ohne die Charakteristiken des gelenkten Strahles zu beeinträchtigen, da sie eine vorgegebene Anzahl von Wellenlängen darstellen, und daher kann die Phasenkohärenz aufrechterhalten werden. Bei der Strahllenkungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung können diese Stufen aus vielen Wellenlängen λ bestehen.
Genauer gesagt, wenn man die gleichförmig beabstandete lineare Anordnung von Fig. 11 betrachtet, und wenn die Wellenlängenabstufungen λ oder Modulo-360º (2π Radianten)-Phasenverschiebungen, die durch die Bereiche zwischen den Punkten repräsentiert sind, aus den Bereichen zwischen diesen Elementen entfernt werden, dann nimmt das modifizierte Phasenprofil der Strahllenkungsanordnung ungefähr die in Fig. 13 gezeigte Form an. Das in Fig. 14 gezeigte Phasenprofil kann genau äquivalent zu dem in Fig. 13 gezeigten Profil gemacht werden, wenn eine maximale ganze Zahl von Wellenlängen λ aus der Phase in der rechten Erstreckung des Elementes entfernt wird, wodurch eine Restphase von weniger als 2π übriggelassen wird, die mit der Phase am anstoßenden Ende des vorherigen Elementes korreliert, wie durch die Quantitäten ΔΦ&sub1;, ΔΦ&sub2;, ΔΦ&sub3; 3 etc. in Fig. 14 gezeigt ist. Unter Verwendung dieses Entwurfs ist der Phasen"sprung", zwischen zwei anstoßenden Endpunkten zweier nebeneinanderliegender Elemente immer eine ganze Zahl von Wellenlängen. Es ist ersichtlich, daß die Ausführung des Strahllenkungssystems der vorliegenden Erfindung eine genaue Berechnung und elektronische Erzeugung der gleichen Phasenflanke für alle Elemente und eine unterschiedliche Endpunktphase für jedes Element in der Strahllenkungsanordnung erfordert.
Fig. 15 veranschaulicht die Vorrichtungsgeometrie, die in Verbindung mit dem Entwurf einer Anordnung mit abgestufter der vorliegenden Erfindung angewendet wird, um einen gelenkten optischen Strahl zu erzeugen. Die Elektroden 40 mit nebeneinanderliegenden Enden unter den benachbarten Elementen 10 der Anordnung sind mit einem begrenzten Spalt zur elektrischen Isolierung versehen. Die an die Elektroden angelegten Spannungen erzeugen Phasenmodulationen, die ähnlich zu den in Fig. 15a gezeigten und oben beschriebenen sind. Die Bereiche mit gemeinsamer Flanke repräsentieren diejenigen Elemente, die die Wellenfront in die gewünschte Richtung verändern, während die Bereiche mit den steileren Phasenfronten, welche dem Spalt zwischen den Aluminiumleitern 40 entsprechen, die von der gewünschten Richtung weg abgelenkte Energie repräsentieren. Die fehlgerichtete Energie bestimmt zusätzlich zu der oben beschriebenen blockierten Energie den Übertragungsverlust des Gerätes der vorliegenden Erfindung. Dieser Verlustfaktor wiederum ist proportional zu dem Verhältnis zwischen der Breite der Aluminiumstreifen 40 und ihrem Spalt relativ zu der Beabstandung der Anordnung.

Strahllenkungsberechnungen

Die optische Phasenverschiebung, die in einer eine Flüssigkristallschicht durchlaufenden Welle induziert wird, ist
wobei d die Schichtdicke, N der Brechungsindex, und λ die Wellenlänge ist. Die optische Anisotropie des Flüssigkristalls und die Fähigkeit, seine Moleküle durch eine angelegte Spannung zu rotieren, ermöglicht es, den Brechungsindex kontinuierlich über den Bereich von dem gewöhnlichen Index bis zu dem außergewöhnlichen Index zu variieren. Die Veränderung des Brechungsindexes ist bei dieser Strahllenkungsanwendung der bedeutsame Parameter, und er kann über den Bereich von 0 bis 0,25 von den meisten interessanten Wellenlängen elektrisch variiert werden.
Fig. 15a zeigt das Verhältnis zwischen der (wie etwa von einem gewöhnlichen Spiegel) gelenkten Wellenfront in einem Winkel und der einfallenden Wellenfront. Die Entfernung der mehrfachen Wellenlängenstufen, welche mehrfache 360º-Phasenverschiebungen darstellen, ermöglicht das Erreichen großer Lenkwinkel mit nur geringer Phasenverzögerung in der Anordnung. Die Anpassung der Phasen (bis zu einer ganzen Anzahl von Wellenlängen) am Ende der Elemente und die Erzeugung der blaze (Flanke) in den Elementen resultiert in einem hohen Wirkungsgrad des Strahles.
Das aus diesem Betrieb resultierende Phasenprofil ist in Fig. 15b gezeigt. Dieses Phasenprofil hat die Erscheinung einer abgeänderten Fresnel-Zonenplatte. Die Segmente des Phasenprofiles haben alle die gleiche Flanke und die gleiche Breite, aber ihre anfänglichen Werte oder Vorspannungswerte sind alle unterschiedlich. Wie oben erörtert wurde, ist der Unterschied zwischen der Phase am Ende eines Segmentes und dem Anfang des nächsten ein ganzzahliges Mehrfaches von 360º oder 0º, je nach der Beabstandung der Anordnung und dem Lenkwinkel α. Der anfängliche Wert der Phase in jedem Segment ist ΔΦ&sub1;, ΔΦ&sub2;, ΔΦ&sub3; , . . . ΔΦn, ΔΦ&sub2;, ΔΦ&sub3;.
Fig. 16 veranschaulicht die Grundlage für eine allgemeine Berechnung des Phasenoffset für jedes Element in der Anordnung. Die Phasenfunktion für das erste Element der Anordnung ist vorgegeben durch
Φ(x) = 2π[xtan(α)]/(λ) (6)
wobei x die horizontale Position über das Strahlsegment, α der Strahllenkungswinkel, und λ die Wellenlänge ist. Wenn die Breite jedes Segmentes w ist und K(n) die ganze Zahl, die die Anzahl von Wellenlängen repräsentiert, die von dem n-ten Segment abzuziehen ist, dann ist der Phasenoffset δΦ(n) an der rechten Kante des n-ten Segmentes angegeben durch
δΦ(0) = 0 7(a)
δΦ(1) = 2π[wtan(α)-K(1)λ]/(λ) 7(b)
δΦ(2) = 2π[2wtan(α)-K(2)λ]/(λ) 7(c)
δΦ(3) = 2π[xtan(α)-K(3)λ]/(λ) 7(d)
δΦ(n) = 2π[xtan(α)-K(n)λ]/(λ) 7(n)
wobei K(n) definiert ist durch
([nwtan(α)/λ]-1) ≤ K(n) ≤ (nwtan(α)/λ) (8)
In der negativen x-Richtung ist die Phase an der rechten Kante des n-ten Segmentes der Anordnung angegeben durch
Φ'(n) = δΦ(n) 9(a)
An der linken Kante dieses Segmentes ist die Phase angegeben durch
Φ''(n) = δΦ(n)+2π(wtan(α))/λ 9(b)
Die Gleichungen 8, 9a und 9b werden verwendet, um die Phasenverteilungen zu berechnen, die über die Segmente der Strahllenkungsanordnung nötig sind, um den Strahl über den Winkel α abzulenken. Durch Einsetzen der Gleichung 8 in die Gleichungen 9a und 9b erhält man die endgültigen Gleichungen:
Φ1' (n) = 2π[nwtan(α)-K(n)λ]
Φ''(n) = 2π[(n+1)wtan(α)-R(n)λ]/λ
Die Gleichungen 10 und 10b können für eine typische Strahllenkungssituation numerisch bewertet werden. Für einen Flüssigkristallscanner, der bei einer Wellenlänge von 0,6328 um mit 20 um breiten Segmenten arbeitet, welche einen Strahl über einen Winkel von ±20º ablenken, sind die entscheidenden Parameter w=20 um, α=20º, λ=0,6328 um, und wtan(α)/λ=11,503.
Die aus den Gleichungen 10a und 10b errechneten Phasen für die ersten neun Segmente in der Anordnung sind in der Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Berechnungen der phasengesteuerten "blazed" Anordnung

Aus dem Obenstehenden ist ersichtlich, daß die Phasen nicht in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen. Die Phasenveränderung über jedes Segment der Anordnung ist 11,503 · 360º, und der anfängliche Phasenoffset ist bei jedem Element weniger als 360º, wie es für den "blazed" Ansatz erforderlich ist.
Die Phasenveränderung über jedes Segment der Anordnung wird durch eine Veränderung im Brechungsindex des Flüssigkristallfilms erzeugt, die durch das Variieren der Spannung über den Film indiziert wird. Die maximale Veränderung im Brechungsindex, die erzeugt werden kann, ist gleich der Anisotropie Δn des Flüssigkristalls. Bei einigen Flüssigkristallen kann Δn im sichtbaren Bereich ungefähr 0,25 betragen. Die in einem Film mit der Dicke t durch eine Veränderung Δn des Brechungsindexes bei einer spezifischen Wellenlänge λ induzierte Phasenveränderung ΔΦ ist angegeben durch
ΔΦ = 360º(Δnt/λ) (11)
Wenn der optische Strahl durch den Flüssigkristallfilm hindurchgeht, von einem Spiegel reflektiert wird und durch den Film zurückgeht, wird die Phasenverschiebung verdoppelt und angegeben durch
ΔΦ = 720º(Δnt/λ) (12)
Durch die Annahme typischer Werte für die Anisotropie von 0,2, einer Filmdicke von 18,5 um, und einer Wellenlänge von 0,6328 um in Gleichung 12 wird eine Phasenverschiebung von 11,7 · 360º errechnet. Der Strahlablenkungswinkel ist einfach die Flanke der in Fig. 16 gezeigten Wellenfront. Diese Flanke ist angegeben durch
tan(α) = [2Δnt-ΔΦ(n)λ/2π]W (13)
wobei 2Δnt die totale Verzögerung in Mikrometern im Flüssigkristall, ΔΦ(n)λ/2π die Vorspannungsphase in Mikrometern, und W die Beabstandung der Elektroden ist. Somit kann eine Flüssigkristall-Strahllenkungsanordnung mit einer Mehrzahl von Segmenten und einer Filmdicke von ungefähr 20 um einen optischen Strahl über einen Winkel von ±20º lenken. Die Spannungswerte in der Anordnung werden von rechts nach links verlegt, um die Strahlauslenkung von +20º nach - 20º zu ändern. Die Umkehrung des Vorzeichens für die Spannung in einem gegebenen Element hat keinen Effekt auf die Strahllenkungsvorrichtung, da die Flüssigkristallrotation proportional zu der Energie, oder dem Quadrat der Spannung ist.

Flüssigkristall-Ansprechzeit

Die Ansprechzeit der Flüssigkristallschicht ist für die Erfindung wichtig, da sie ein Maß für die Zeit darstellt, die gebraucht wird, um den Strahl zu lenken, und umfaßt die Anlaufzeit und die Abklingzeit. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Strahl von einem Winkel zu einem anderen abgelenkt, und als Ergebnis ist die erhaltene Ansprechzeit entweder die Anlaufzeit oder die Abklingzeit, je nach dem anfänglichen Ablenkwinkel.
Neuere Messungen der Ansprechzeiten von Flüssigkristallichtventilen in Abhängigkeit von der Schichtdicke zeigen an, daß die Ansprechzeit beim BDH-E7 LC für eine 4 u m dicke Schicht etwa 17 ms und für eine 6 um dicke Schicht etwa 38 ms beträgt. Bei einem festen Vorspannungspegel ist die Ansprechzeit proportional zum Quadrat der Schichtdicke. Somit müßte eine Erhöhung der Schichtdicke von 6 auf 12 um die Ansprechzeit von 38 auf 152 um erhöhen, was sechs Positionsänderungen bei der Strahlnachführung pro Sekunde entspricht.
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Ansprechzeit des Flüssigkristall-Strahlablenkungssystems der vorliegenden Erfindung ist die für die Erfindung entwickelte einzigartige, "blazed" Phasenverschiebungsgeometrie, da sie die für einen vorgegebenen Ablenkungswinkel erforderliche Filmdicke minimiert. Wenn der Strahl von einem spezifischen negativen Winkel auf einen gleich großen positiven Winkel abgelenkt werden soll, wird nicht die Polarität der an die Elektroden in einem Segment oder Element der Anordnung angelegten Spannungen umgekehrt; statt dessen werden die Spannungen in allen Elementen in der Anordnung symmetrisch um die Mitte der Anordnung ausgetauscht. Da dieser Zustand generell keine Rotation der Flüssigkristallmoleküle von maximalen auf Nullwerte erfordert, ist die Ansprechzeit geringer als die in Labor für eine einzige Zelle beobachteten maximalen Ansprechzeiten.
Die Ansprechzeiten für unterschiedliche Flüssigkristallmaterialien variieren, da sie von der Viskosität des Flüssigkristalls und der optischen Doppelbrechung abhängen. Daher gibt es eine Vielzahl von LC-Materialien, die sich je nach den Erfordernissen an Lichtfrequenz, Ansprechzeit und Ablenkungswinkel zur Anwendung mit der vorliegenden Erfindung als wertvoll erweisen können.

Entwurfsparameter für einen Deflektor von Strahlen mit sichtbaren Wellenlängen

Ein Entwurf eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine Strahlablenkungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt Paare von 40 um dicken und 1,5 um breiten Aluminiumleitern, die in einer Anordnung mit 20 um auf Mittelpunkten von einem 1,0 um breiten Spalt getrennt sind und eine 50 cm hohe mal 50 cm breite Platte bedecken. Wenn die Elektroden von beiden Enden her symmetrisch betrieben werden, kann die effektive Länge jedes Aluminiumstreifens 25 cm betragen. Der Widerstand des 1,0 um dicken Aluminiumfilms beträgt daher 0,008 Ω/cm² (0,05 Ω/sq) und der Widerstand der Aluminiumelektrode beträgt 8300 Ω. Der Widerstand des Flüssigkristallstreifens, der 250.000 um lang, 20 um breit und 4 um dick ist, beträgt 200 MΩ, wenn der spezifische Widerstand des Flüssigkristalls 1000 MΩcm beträgt, was ein typischer Wert ist. Der spezifische Flächenwiderstand des durchsichtigen Leitermaterials (TCM) hängt von seiner Dicke ab. Die in der Erfindung verwendeten TCM- Schichten müssen bei der Betriebswellenlänge optisch transparent sein und einen spezifischen Bereich von spezifischen Widerstandswerten besitzen, der für jeden Entwurf geeignet ist. Beispiele für typische TCM-Materialien umfassen Dünnfilm-ITO, dotiertes SiO2 und organische Polymere. Wenn man einen spezifischen Widerstand des TCM von 0,15 · 70&sup9; Ω/cm² (10&sup9; Ω/sq) für die Fläche von 20 mal 250.000 um annimmt, dann beträgt der TCM-Widerstand von Seite zu Seite 80.000 Ω. Diese elektrischen Entwurfsparameter sind alle physikalisch durchführbar und liegen nahe bei Werten in gegenwärtig verfügbaren Vorrichtungen. Dieser Entwurf resultiert in RLC » RTCM » RAL, wobei RLC der Widerstand der Flüssigkristallschicht, RTCM der Widerstand der TCM-Schicht, und RAL der Widerstand des Aluminiumstreifens ist. Somit lädt die TCM-Schicht nicht die Aluminiumdrähte, und der Flüssigkristall lädt nicht die TCM-Schicht. Die Kapazität der 4,0 u m dicken mal 20 um breiten mal 250.000 um langen Flüssigkristallschicht beträgt 56 pF, und der Widerstand der TCM- Elektrode beträgt 80.000 Ω. Die elektrische Zeitkonstante des Segmentes der Strahllenkungsschaltung beträgt daher 4,5 us, und da dies viel schneller als die Flüssigkristall- Ansprechzeit ist, ist die Strahllenkungsgeschwindigkeit nur von der Ansprechzeit des Flüssigkristalls beschränkt.
Der elektrische Leistungsverlust bei diesem Ausführungsbeispiel ist durch den elektrischen Widerstand der TCM-Schicht und die an die Flüssigkristallschicht angelegte Spannung bestimmt. Wenn man 6 V über die Schicht, 80.000 Ω Widerstand pro Segment und 25.000 Segmente annimmt, dann ist der gesamte Leistungsverlust etwa 11 W pro Lenkplatte.
Die elektrischen Parameter für einen Deflektor für sichtbare Lichtstrahlen gemäß dieser Erfindung sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Die Parameterbereiche ermöglichen eine Strahlauslenkungen über Winkelbereiche von bis zu 40º mit Ansprechzeiten von bis zu 150 ms; oder über Winkelbereiche von einigen wenigen Graden mit Ansprechzeiten in der Größenordnung von 10 ms.

Tabelle 2

Parameter für Scanner für sichtbare Strahlen

Plattengröße - 50 · 50 cm
Elektrodenpaare - auf 20 um-Mittelpunkten
LC-Dicke - 4 um bis 20 mm
Al-Elektrodenstreifen - 1,5 um breit, 2 um dick
Spalt zwischen Al-Streifen - 1,0 um
Segmentwiderstand - 80.000 Ω
Segmentkapazität - 56 pF
Segment-Zeitkonstante - 4,5 us
maximale Auslenkspannung - 6 V
gesamte Auslenkleistung - 11 W
Auslenkbereich - 0º bis 40º
Ansprechzeit - 10 ms bis 150 ms

Entwurfsparameter für einen Deflektor von Strahlen mit Infrarotwellenlängen

Ein Strahldeflektorentwurf gemäß der vorliegenden Erfindung, der bei einer Wellenlänge von 10,6 um arbeitet, umfaßt 1 um dicke Leiter, die mit Elektrodenschichten aus transparentem, leitfähigen Material verbinden sind, welche 10 bis 20 um breit und von 1 um breiten Spalten getrennt sind. Der Leistungsverlust dieses Entwurfs ist 1/25 des oben erörterten Sichtbar-Entwurfs wegen der verringerten Oberfläche, und die lineare Segmentkapazität ist auf einen Faktor von 5 reduziert. Der Segmentwiderstand kann 40.000 bis 80.000 betragen, wodurch sich eine elektrische Zeitkonstante in der Größenordnung von 1,25 us ergibt. Die Ansprechzeit der Vorrichtung kann daher je nach dem Auslenkwinkelbereich bei 5 bis 150 us bleiben. Tabelle 3 zeigt eine Zusammenfassung der Entwurfsparameter eines erfindungsgemäßen Strahlscanners für einen 10,6 um-Strahl.

Tabelle 2

Typische Parameter für Strahlscanner bei 10,6 um

Plattengröße - 10 · 10 cm
Elektrodenpaare - auf 10 um-Mittelpunkten
LC-Dicke - 4 um bis 20 um
Al-Elektrodenstreifen - 1,5 um breit, 1-2 um dick
Spalt zwischen Al-Streifen - 1,0 um
Segmentwiderstand - 40.000 Ω - 80.000 Ω
Segmentkapazität - 6 - 12 pF
Segment-Zeitkonstante - < 1,25 us
maximale Auslenkspannung - 6 V
gesamte Auslenkleistung - 11 W
Auslenkbereich - ± 20º
Ansprechzeit - 5 ins bis 150 ms

Elektronische Treiber und Kopplung

Eine Treiberelektronik für die Strahlablenkungsanordnung der vorliegenden Erfindung muß in der Lage sein, jede Elektrodenleitung mit einem Analogsignal zu betreiben, da die LCs auf Analogspannung ansprechen. Die Spannungsdifferenz zwischen benachbarten Leitungen bestimmt die Spannung, die an den Flüssigkristall angegelt wird, und der Flüssigkristall spricht auf diese Spannung an, indem er, wie oben beschrieben ist, eine optische Phasenverschiebung proportional zu der Spannung erzeugt.
Damit der Strahl mit hoher Genauigkeit und geringer Streuung gelenkt werden kann, müssen die Signale sehr genau und stabil sein und sollten schnell veränderbar sein, um die Strahlposition zu bewegen. Die leichteste und vielseitigste Art, diese Kombination aus Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erreichen, ist durch die Verwendung eines mit einer Analogtreiberanordnung als Steuerung verbundenen kleinen Computers. Fig. 17 ist ein Systemblockdiagramm, das das Verhältnis zwischen einem solchen Computer 18, Steuerelektronik 12, Treiberelektronik 16 und optischer Anordnung 2 in der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Computer berechnet die an jeder Elektrode benötigte Spannung und ist in der Lage, im Speicher eine Datenbank anzulegen, die auf Daten basiert, die von den Operatoren eingegeben sind, sowie Algorithmen, die verwendet werden, um die geeignete Treiberspannung zu berechnen, die von der Treiberelektronik 16 an jedes Strahlablenkungselement 10 geliefert werden soll. Diese Daten basieren auf den LC-Charakteristiken und der Geometrie der Anordnung, wie oben erörtert wurde. Die Daten werden dann sequentiell an die Steuerelektronik 12, durch den D/A-Wandler 52 und den Analogmultiplexer 54 an jeden Treiber in der Treiberelektronik 16 gesendet. Die Treiber sind typischerweise Abtast-und-Halteverstärker 56, die den richtigen Spannungspegel auf dem Ausgang kontinuierlich aufrechterhalten und Bandbreiten aufweisen, welche für die Strahllenkungserfordernisse der Anordnung ausreichend sind.
Der Computer 18 kann dafür konfiguriert werden, einen externen Strahlwinkelsensor 58 zu überwachen, um die Strahlrichtung zu steuern. Als Reaktion auf das Signal vom Strahlwinkelsensor 56 können die Spannungen verändert werden, um den Strahl an die gewünschte Stelle abzulenken. Ein geschlossenes Regelkreissystem kann als Teil des elektronischen Steuersystems konfiguriert werden, um es zu ermöglichen, daß die Spannungseinstellungen gegen die tatsächliche Strahlposition kalibriert werden.
Wie oben erörtert wurde, kann eine beispielhafte LC- Strahllenkungsvorrichtung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung einen aktiven Bereich von ungefähr 50 · 50 cm aufweisen. Da die Breite jedes Streifensegmentes des Deflektors ungefähr 20 um betragen kann, würde eine solche Vorrichtung aus 25.000 Segmenten 10 bestehen, von denen jede ein Paar Aluminiumstreifen-Elektroden an gegenüberliegenden Kanten des aktiven Bereiches des Segmentes aufweist. Unter Verwendung herkömmlicher Herstellungsverfahren können diese Elektrodenpaare in Bündel mit einem Abstand von 3 um zwischen den Mittelpunkten vereinigt werden, um Platz für die Anbringung von Mikroschaltungs-Treiberchips zu schaffen. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten von Leiterpaaren beträgt dann 6 um, und die Gesamtbreite der verdichteten Leiteranordnung beträgt 25.000-mal 6 um oder 15 cm. Dies läßt 35 cm Raum für 35 Mikroschaltungs- Chips und Verbindungs-Kontaktstellen in der ersten Reihe. Fig. 18 veranschaulicht die Konfiguration einer phasengesteuerten Anordnung bei diesem Aufbau. Wenn man annimmt, daß jeder Chip 200 Elektroden auf 8 mil (0,02 cm)-Mittelpunkten aufweist, oder 50 Elektroden auf jeder Seite des Chip, dann kann die erste Reihe von Treiberchips 7000 der 50.000 Zeilen betreiben. Wenn jede darauffolgende Reihe von Treiberchips 7000 weitere Zeilen betreibt, dann können 50.000 Zeilen von sieben Reihen von Treibern betrieben werden. Die Geometrie der Schaltungsverlegung und das Layout für die Kontaktstellen eines solchen Elementes kann auf eine Vielfalt von Arten besorgt werden, von denen die veranschaulichte Geometrie eine der bevorzugten Konfigurationen ist. Wenn, wie oben erörtert wurde, 7 Reihen von Treiberchips 60 mit 35 Treibern in jeder Reihe vorliegen, dann sind insgesamt 245 Treiberchips nötig, um die gesamte Anordnung zu steuern.
Ein Vorzug der Strahlablenkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Spannungen über Schaltungen mit sehr hoher Impedanz angelegt werden und folglich der Leistungsverlust sehr gering ist. Diese Spannungstreiberpegel sind mit MOS-LSI-Schaltungen kompatibel, die problemlos im Rahmen des gegenwärtigen Standes der Technik liegen.

Die Beziehung zwischen der "blazed" und der flachen phasengesteuerten Anordnung

Der grundlegende Unterschied zwischen der "blazed" phasengesteuerten Ausführung der vorliegenden Erfindung und der "flachen" phasengesteuerten Ausführung ist es, daß das "blazed" Konzept bei der gleichen Elementgröße zwei Phasenverschiebungen erfordert, die zwischen 0 und 2π-Radianten pro Element liegen und der flache Entwurf nur eine benötigt. Wenn man annimmt, daß die Treiberspannungen auf den linearen Bereich beschränkt sind, dann bedeutet dieser Unterschied, daß für die "blazed" Anordnung eine doppelt so dicke Flüssigkristallschicht wie für die flache Anordnung verwendet wird. Eine doppelt so dicke Flüssigkristallschicht hat den Effekt, die Ansprechzeit um einen Faktor von 4 zu erhöhen. Für sichtbare Wellenlängen ist die Ansprechgeschwindigkeit der dickeren Anordnung für viele Anwendungen ausreichend. Bei längeren Wellenlängen wie Infrarot schließt die Flüssigkristalldicke den blazed Entwurf aus, und der flache Entwurf wird die attraktivere Möglichkeit.
Der "blazed" phasengesteuerte Ansatz ist bei bei längeren Wellenlängen mit schnellen Ansprechgeschwindigkeiten schwieriger auszuführen als die flache phasengesteuerte Anordnung, weil die geringe Flüssigkristalldicke, die für die schnelle Ansprechgeschwindigkeit die Verwendung höherer Treiberspannungen erzwingt, um die erforderlichen Phasenverschiebungen zu erhalten. Die Phasen-/Spannungs-Charakteristik verläßt daher den linearen Bereich und verursacht eine nicht-lineare Phasen-/Spannungs-Position im Element der Anordnung, was zu Verschlechterung oder Verlust des Strahles und zu einem Verlust an Genauigkeit der Positionierung führt. Unter diesen Umständen bietet die flache phasengesteuerte Anordnung einen Vorteil, indem die Nicht- Linearität der Phase durch eine genaue Einstellung des Spannungsantriebes für jedes Element kompensiert werden kann. Somit ist eine Einschränkung des Ansatzes mit flachem, phasengesteuerten Gitter der Verlust des intrinsischen Wirksamkeitsgrades des "blazed" Ansatzes bei größeren Lenkwinkeln.
Bei einer Elementgröße von 10 um und bei einer Wellenlänge von 10 um kann die flache Anordnung theoretisch durch einen Winkel von 26 ausgelenkt werden (bis zu dem Punkt der halben Leistung des Strahls), wenn die Flüssigkristallschicht ausreichend dick ist. Würde man diesen Ansatz bei sichtbaren Wellenlängen versuchen, dann würde die gleiche ± 26º-Auslenkung eine Elementgröße von 0,6 um bei einer Wellenlänge von 0,6 um erfordern, was den gegenwärtigen Stand der Technik für hochauslösende Photolithographie übersteigt und somit die Herstellung einer solchen Anordnung schwierig, falls nicht unmöglich macht, bis Verbesserungen in der Photolithographie verfügbar sind. Um die mit einem solchen Ansatz verbundenen Probleme zu bewältigen, würde die Anordnung etwa 800.000 Schaltungen benötigen im Vergleich zu 50.000 Schaltungen für den Ansatz der "blazed" Anordnung für eine wie oben erörterte aktive Fläche.
Fig. 19a und 19b veranschaulichen in schematischer Wellenfrontdarstellung eine dritte alternative Ausführung der Flüssigkristall-Strahllenkungsanordnung der vorliegenden Erfindung, bei der eine Kombination aus dem "blazed" und der flachen Phasenverfahren in einem einzigen hybriden Aufbau der vorstehend beschriebenen Ausführung angewendet werden. Um die Funktion dieser Ausführung deutlicher zu machen, sind nur die Aluminiumleiter 40 und die sie verbindenden ITO-Streifen 38 gezeigt. Dieser Ansatz umgeht das Erfordernis von Spalten zwischen den Elementen in dem Aufbau. Die durchgezogene Sägezahnkurve 62 stellt die idealisierte Phasenverschiebung und/oder örtliche Wellenlängenrichtungen (zusammen mit einer angenommen linearen Phase gegen die Spannungsansprechzeit) dar, während die gestrichelten Kurven 64 ein idealisiertes, vollständig "blazed" Gitter für Vergleichszwecke darstellen. Dieses System kann als ein "blazed" Gitter angesehen werden, bei dem die 2π-Rückstellungen über ein größeres Quermaß erfolgen als bei dem vollständig "blazed" System, wodurch ein erweiterter Rückstellungseffekt über das Gitter zur Verfügung gestellt wird.
Fig. 19a veranschaulicht den Phasenzustand in der Anordnung, der den maximalen Abrasterwinkel darstellt, wenn in den ± Beugungsgrößenordnungen gleiche Leistungen erzeugt werden. Fig. 19b veranschaulicht einen geringeren Abrasterwinkelzustand, der ein ideales "blazed" Gitter besser annähert. In allen Fällen gibt es nur zwei hauptsächliche Beugungsgrößenordnungen, und diese werden in Richtungen abgestrahlt, welche im wesentlichen senkrecht zu den Wellenfronten verlaufen, wie von den Fortpflanzungspfeilen 66 in den Figuren dargestellt ist. Das hybride Gittersystem kann für den gleichen Elementzeitraum den zweifachen Abrasterwinkel erzielen wie das flache Gittersystem und ist angemessen, wenn hohe Ansprechgeschwindigkeiten erforderlich sind, oder wenn Einfachheit der Konstruktion und ein größerer Abrasterwinkel erforderlich sind.
Aus dem oben gesagten geht deutlich hervor, daß die vorliegende Erfindung einen wichtigen und neuartigen Vorstoß auf dem technischen Gebiet der optischen Strahllenkung darstellt. Die LC-Anordnungen dieser Erfindung sind in der Lage, den Fortpflanzungswinkel eines auf die Anordnung einfallenden Lichtstrahles mit großem Durchmesser über relativ große Winkel durch kleine Spannungsänderungen zu ändern, typischerweise in der Größenordnung von weniger als zehn (10) Volt, die an die Elemente der Anordnung angelegt werden. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Typen und Geometrien von "blazed" Anordnungskonfigurationen kann selbst bei großen Ablenkungswinkeln ein hohes Maß an Phasenkohärenz und eine geringe Streuung erzielt werden. Wenn eine maximale Ansprechgeschwindigkeit erforderlich ist oder für den Betrieb mit größeren Wellenlängen wie Infrarot können entweder eine hybride, "blazed"-flache phasengesteuerte Anordnung oder eine flache phasengesteuerte Anordnung verwendet werden, um die geeignete Kombination von Geschwindigkeit und Phasenverschiebung mit einigen Einbußen an Effektivität und optischer Qualität im Vergleich zu der "blazed" phasengesteuerten Anordnung zur Verfügung zu stellen.
Während einige besondere Formen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, daß verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche zu verlassen.

Claims

1. Optische Strahlablenkungsvorrichtung mit:

einer Mehrzahl N von planaren optischen Strahldeflektoren (10), welche nebeneinander in einer Ebene entlang einer vorgegebenen Richtung angeordnet sind, so daß sie eine lineare Anordnung (2) mit gegenseitigem Abstand P bilden, wobei jeder der Deflektoren (10) eine Flüssigkristallschicht (36) und eine Steuerelektrode aufweist, welche eine Oberfläche der Flüssigkristallschicht (36) bedeckt, und die andere Oberfläche der Flüssigkristallschicht (36) von einem Abschnitt einer allen Deflektoren (10) gemeinsamen Erdungselektrode (46) bedeckt ist;

einem Steuermittel (12-20) zum Erzeugen und Anlegen von elektrischen Signalen an die Steuerelektroden, um den Brechungsindex in den Deflektoren (10) derart zu variieren, daß sie einen einfallenden kohärenten Lichtstrahl (4) mit der Wellenlänge λ, welcher auf die Mehrzahl von Deflektoren (10) auftrifft, in einen abgelenkten kohärenten Lichtstrahl (8) mit einem vorgegebenen Winkel R relativ zu dem einfallenden

kohärenten Lichtstrahl (4) ablenken;

dadurch gekennzeichnet, daß:

jede der Steuerelektroden eine Schicht aus transparentem, leitfähigem Material (38) sowie ein Paar von sich senkrecht zu der vorgegebenen Richtung erstreckenden parallelen, streifenförmigen Leitern (40) in einem vorgegebenen Abstand w voneinander aufweist, wobei der Widerstand RAL der Leiter (40), der zwischen den Leitern (40) gemessene Widerstand RTCM der transparenten Schicht (38), und der zwischen den Steuer- und Erdungselektroden (46) gemessene Widerstand RLC des Flüssigkristalls (36) die Ungleichungen

RLC » RTCM » RAL

erfüllen;

das Steuermittel (12-20) Mittel zum Anlegen der elektrischen Signale an jeden der beiden Leiter (40) der Elektroden derart aufweist, daß an der Stelle jedes der Leiter jeder jeweiligen Elektrode eine vorgegebene Phasenverschiebung Φi,j in dem einfallenden kohärenten Lichtstrahl (4) induziert ist, wobei i=1, . . . , N die jeweilige Elektrode bezeichnet, und j=1,2 einen der beiden Leiter (40) der jeweiligen Elektrode bezeichnet, und die Beziehung der Phasenverschiebung zu dem vorgegebenen Winkel R ausgedrückt ist durch die Gleichungen

R = ((Φi,2 - Φi,1) / 2π) (λ/w), i=1, . . . ,N

und

R = ( (Φi,1 - Φi-1,1) / 2π) (λ/P), i=2, . . . ,N,

wobei Φ1,1=0 ist.

2. Optische Strahlablenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

Reflektiermittel (42) auf der Oberfläche des Deflektors (10) gegenüber der Oberfläche, auf welche der einfallende kohärente Lichtstrahl (4) einfällt, um dadurch im wesentlichen den doppelten Ablenkungswinkel für gegebene Steuersignale zu verursachen als den, der durch einen einmaligen Durchgang des Strahles durch den Flüssigkristall (36) verursacht wird.

3. Optische Strahlablenkungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Computer (18), welcher zur Berechnung der Amplitude der an die Deflektoren (10) angelegten elektrischen Steuersignale derart betrieben ist, um den einfallenden kohärenten Lichtstrahl (4) in den abgelenkten kohärenten Lichtstrahl bei dem gewünschten Winkel R abzulenken.

4. Optische Strahlablenkungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Vorsehen mindestens einer weiteren, mit der linearen Anordnung (2) identischen Anordnung (30), wobei die Anordnungen (2; 30) mit ihren jeweiligen Ebenen in gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnet sind, und die Ablenkungsebenen jeder Anordnungen senkrecht zueinander liegen, um die Ablenkung des einfallenden Lichtstrahles (4) auf die Anordnungen (2; 30) in zwei Dimensionen relativ zu der gemeinsamen Senkrechten der Anordnungen (2; 30) zu ermöglichen.

5. Optisches Strahlsteuersystem, welches aufweist:

eine Mehrzahl von Flüssigkristall Strahlablenkungselementen (10), welche in einer linearen Anordnung (2) angeordnet sind, um unabhängig voneinander jeweilige Abschnitte eines auf jedes der Elemente (10) auftreffenden einfallenden Strahles (4) durch jeweilige Ablenkungswinkel abzulenken, wobei die Anordnung (2) von Strahlablenkungselementen aufweist:

(a) ein erstes Substrat (50);

(b) eine Mehrzahl von transparenten Elektrodenstreifen (38) auf dem ersten Substrat (50) zum Definieren der Mehrzahl von Strahlablenkungselementen (10);

(c) eine an die Mehrzahl von Elektrodenstreifen (38) angrenzende Flüssigkristallschicht (36);

(d) eine an die Flüssigkristallschicht (36) von der Mehrzahl von Elektrodenstreifen (38) angrenzende und ihr gegenüberliegende transparente Elektrodenschicht (46);

(e) ein an die transparente Elektrodenschicht (46) angrenzendes zweites Substrat (44);

(f) ein Steuermittel (12-16) zum unabhängigen Steuern des jeweiligen Ablenkungswinkels und der durch jedes dieser Elemente (10) induzierten Phasenverschiebung;

(g) ein Mittel (18, 20) zum Steuern des Steuermittels (12-16), um den einfallenden Strahl (4) als einen räumlich phasenkohärenten abgelenkten Strahl (8) durch einen Lenkwinkel relativ zu dem einfallenden Strahl (4) zu lenken, wobei der abgelenkte Strahl

(8) aus den durch die Elemente (10) mit gegenseitiger Phasenkohärenz abgelenkten Abschnitten besteht;

dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem aufweist:

(h) mindestens zwei jeweils einem der Mehrzahl von Elektrodenstreifen (38) zugeordnete und auf diesem angeordnete Treiber-Streifenelektroden (40);

(i) eine zwischen einerseits den Elektrodenstreifen (38) sowie den Treiber-Streifenelektroden (40) und andererseits der Flüssigkristallschicht (36) angeordneten ersten Isolierschicht (48); und

(j) eine zwischen der Flüssigkristallschicht (36) und der transparenten Elektrodenschicht angeordnete zweite Isolierschicht; und

daß

(k) der Widerstand RAL der Streifenelektroden (40), der zwischen den Streifenelektroden (40) gemessene Widerstand RTCM der transparenten Elektrodenstreifen (38), und der zwischen der Elektrodenschicht und den Streifenelektroden (46) gemessene Widerstand RLC der Flüssigkristallschicht (36) die Ungleichungen

RLC » RTCM » RAL

erfüllen.

6. System nach Anspruch 5, welches des weiteren aufweist:

mindestens zwei der Anordnungen (2; 30), wobei die Anordnungen (2; 30) mit zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, so daß sie eine gemeinsame Achse senkrecht zu den Ebenen aufweisen, wobei die Elemente (10; 32) der Anordnungen (2; 30) senkrecht stehen, um den einfallenden Strahl (4) in zwei Dimensionen relativ zu der gemeinsamen Achse der Anordnungen (2; 30) abzulenken.

7. System nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Mittel (18, 20) zum Steuern der Steuermittel (12-16) aufweist:

einen Computer (18), welcher dazu betrieben wird, die Steuersignale zum Steuern der Treiberelektronik (16) vorzusehen.

8. System nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei die Anordnung (2) des weiteren aufweist:

einen kontinuierlichen Reflektor (42) auf einer Oberfläche des ersten Substrates (50), zwischen dem ersten Substrat (50) und der Mehrzahl von Elektrodenstreifen (38), gegenüber der Oberfläche, auf welche der einfallende Strahl (4) einfällt, um dadurch den Ablenkungswinkel für ein gegebenes Eingangssteuersignal zu vergrößern.