DE4404118A1 - Vorrichtung zur Veränderung der Richtung der Strahlung eines Lasers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Veränderung der Richtung der Strahlung eines Lasers.

Zur Ablenkung eines Laserstrahls werden vor allem verschwenkbare Spiegel verwendet, die ähnlich wie Spiegelgalvanometer aufgebaut sind. Derartige Spiegel weisen jedoch aufgrund ihrer Masse eine relativ große Trägheit auf. So ist es beispielsweise nicht möglich, mit einem derartigen Spiegel mit einem Laserstrahl ein Fernsehbild zu projizieren.

Es ist bereits ein Laser-Großbildprojektor bekannt, bei dem zur Laserstrahlablenkung akusto-optische Strahlablenker eingesetzt werden. Dabei erfolgt die Strahlablenkung über durch Ultraschall hervorgerufene Gasdruckänderungen, die eine Änderung des Brechungsindex zur Folge haben. Der bekannte Projektor ist jedoch mit einem extrem hohen Kostenaufwand verbunden.

Nach der DE-OS 26 15 173 ist es bekannt, einen Laserstrahl mit einer Anordnung mit zwei plan-parallelen Spiegeln seitlich zu versetzen, wobei der Laserstrahl auf einer Seite der Anordnung schräg einfällt, zwischen den Spiegeln mehrmals reflektiert wird und auf der anderen Seite um die Länge der Spiegel versetzt, wieder austritt. Durch Änderung des Abstandes der Spiegel mit einem piezoelektrischen Wandler kann dieser Versatz verändert werden. Eine Winkeländerung des Laserstrahls tritt damit jedoch nicht ein. Auch ist die Änderung des Versatzes klein. Dem versucht man durch Vergrößerung des Strahls mit einer Zusatzoptik abzuhelfen, was freilich zu Lasten der Bildauflösung geht. Die Projektion eines Fernsehbildes ist mit dieser Anordnung nicht zu realisieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls über einen größeren Winkel mit hoher Winkelgeschwindigkeit bereitzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben. Gemäß dem Anspruch 9 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt zur Projektion eines Fernsehbildes eingesetzt.

Nachstehend wird das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung mit schräg zwischen die beiden Spiegel einfallendem Laserstrahl; und

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte Wiedergabe einer zweiten Ausführungsform mit einem Laserstrahl mit parallel zu den Spiegeln verlaufender Strahlachse.

Gemäß Fig. 1 sind zwei zueinander plan-parallele Spiegel 1 und 2 mit einem Abstand D voneinander angeordnet. Der Spiegel 1 ist an der Innenseite vollverspiegelt, d. h. er weist ein Reflexionsvermögen von 100% auf. Der Spiegel 2 ist an der Innenseite teilverspiegelt, d. h. er weist z. B. ein Reflexionsvermögen von 98% auf, von ihm werden also bei senkrechtem Einfall des Lichts 98% der auffallenden Intensität reflektiert und 2% dringen durch den Spiegel 2 hindurch. Der Abstand D der beiden Spiegel 1 und 2 ist mit piezokeramischen Wandlern 3 variierbar, die an dem Spiegel 2 angreifen, während der Spiegel 1 stationär ist. Die Abstandsmodulation kann auch durch andere Einrichtungen bewerkstelligt werden. Piezoelektrische Wandler stellen jedoch eine einfache Einrichtung zur Abstandsmodulation dar.

Aus dem Laser 4 tritt ein paralleles Laserstrahlbündel 5 aus, das mit einer Zylinderlinse 6 auf einem Brennfleck 7 fokussiert wird. Der fokussierte Strahl fällt schräg zwischen die Spiegel 1 und 2, d. h. die Strahlachse 8 schneidet die Spiegelebene in einem Winkel δ von mehr als 0° und weniger als 90°. Damit die Laserstrahlung schräg einfallen kann, ist der Spiegel 1 gegenüber dem Spiegel 2 in Fig. 1 etwas nach rechts versetzt.

Die in Strahlrichtung nach dem Brennfleck 7 divergierende Laserstrahlung trifft auf den Spiegel 2. Die beiden Randstrahlen der divergierenden Strahlung sind in Fig. 1 mit S1 und S2 bezeichnet und mit durchgezogener bzw. gestrichelter Linie dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der eine Randstrahl S1, der mit einem kleineren Einfallswinkel β gegenüber der Senkrechten auf den Spiegel 2 auftrifft, bei n1, n2, n3, . . . mehrfach zwischen dem Spiegel 2 und dem Spiegel 1 reflektiert wird, während der andere Strahl S2, der mit einem größeren Einfallswinkel 7 gegenüber der Senkrechten auf den Spiegel 2 auftrifft, bei m1, m2, m3, . . . mehrfach zwischen den beiden Spiegeln 2 und 1 reflektiert wird.

Damit entsteht ein zu den Spiegeln 1 und 2 senkrecht verlaufendes virtuelles Beugungsgitter 9 auf der Seite des vollverspiegelten Spiegels 1 mit den Gitterpunkten P1, P2, P3, P4, . . . , wobei das Beugungsgitter 9 eine Gitterkonstante, also einen gegenseitigen Abstand der Punkte P1, P2, P3, P4, . . . von G besitzt., welche dem doppelten Abstand D der Spiegel 1, 2 entspricht.

Das virtuelle Beugungsgitter 9 führt zu Strahlen 10 gleicher Richtung, die auf der Seite des vollverspiegelten Spiegels 1 virtuell, auf der Seite des teildurchlässigen Spiegels 2, an dem ein Teil des Lichts hindurchtritt, jedoch reell sind. Durch Überlagerung der Strahlen 10 auf der Seite des teildurchlässigen Spiegels 2 wird ein Beugungsspektrum erzeugt, und zwar nach der Formel

worin α der Winkel gegenüber der Senkrechten zum Beugungsgitter 9, also gegenüber der Ebene der Spiegel 1 und 2 ist, und λ die Wellenlänge des Laserlichts, G die Gitterkonstante und z die Ordnung der Spektrallinie des vom Beugungsgitter 9 erzeugten Spektrums bedeutet.

Es ist ersichtlich, daß sich bei Änderung des Abstands D zwischen den Spiegeln 1 und 2 mittels der piezoelektrischen Wandler 3 der Gitterabstand G und damit der Winkel α des Strahls einer Spektrallinie einer bestimmten Ordnung (abgesehen von der 0. Ordnung) ändert.

Gemäß Fig. 2 verläuft der mit der Zylinderlinse 6 auf den Brennfleck 7 fokussierte Laserstrahl mit seiner Strahlachse 8 parallel zu den Spiegeln 1 und 2, wobei der Brennfleck 7 in der Mitte zwischen den beiden Spiegeln 1 und 2 liegt.

Die Randstrahlen der vom Brennfleck 7 weg in Fortpflanzungsrichtung divergierenden Laserstrahlung sind wie in Fig. 1 mit S1 und S2 bezeichnet, wobei der Randstrahl S1 bei n1, n2, n3, . . . zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 2 und dem vollverspiegelten Spiegel 1 mehrfach reflektiert wird, und der Randstrahl S2 bei m1, m2, m3 . . .
Betrachtet man das gleichschenklige Dreieck zwischen dem Brennfleck 7 und der Linie zwischen den Punkten n1 und m1, so läßt sich das Dreieck in die schraffierte rechtwinklige Dreieckshälfte H1 auf der Seite des teildurchlässigen Spiegels 2 und die mit ausgezogenen Linien konturierte Dreieckhälfte H2 auf der Seite des vollverspiegelten Spiegels 1 aufteilen, wobei sich an der der Kathete gegenüberliegenden Spitze jeder rechtwinkligen Dreieckshälfte H1 und H2 die Hälfte des Brennflecks 7 befindet.

Die Hälfte H1 wird am Spiegel 2 zu einer virtuellen Hälfte H1′ gespiegelt, an dem Spiegel 1 zu einer virtuellen Hälfte H1′′ und dann an dem Spiegel 2 zu einer virtuellen Hälfte H1′′′ usw., die Hälfte H2 an dem Spiegel 1 zu einer virtuellen Hälfte H2′, dann am Spiegel 2 zu einer virtuellen Hälfte H2′′, dann am Spiegel 1 zu einer virtuellen Hälfte H2′′′ usw. Dabei stellt jede Hälfte H1′, H1′′, H1′′′, . . . und H2′, H2′′, H2′′′, . . . einen virtuellen halben Brennfleck P1, P2, P3, P4, . . . dar.

Es wird damit ein virtuelles Beugungsgitter 9 erzeugt, das sowohl auf der Seite des Spiegels 1 wie auf der Seite des Spiegels 2 angeordnet ist. Der Abstand der virtuellen Brennflecke P1, P2, P3, . . ., also die Gitterkonstante G des virtuellen Gitters 9, entspricht dabei dem Spiegelabstand D.

Das virtuelle Beugungsgitter 9 führt zu einer Spektrallinie 0. Ordnung mit relativ geringer Intensität. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mit schräg einfallendem Laserstrahl 8 fällt die Spektrallinie 0. Ordnung ganz weg.

Demgegenüber stellt die Spektrallinie 1. Ordnung normalerweise die Spektrallinie der höchsten Intensität dar, so daß sie in der Praxis den abgelenkten Laserstrahl bildet.

Bei einem Abstand D der Spiegel 1 und 2 von 4λ ergibt sich für den Strahl der Spektrallinie 1. Ordnung (z=1) nach der Formel (1)

und für den Strahl 2. Ordnung (z=2)

d. h. der von dem virtuellen Beugungsgitter 9 erzeugte, aus dem teildurchlässigen Spiegel 2 austretende Strahl 11 1. Ordnung kann somit in einem Winkel zwischen 15 und weniger als 30° gegenüber den Spiegeln 1 und 2, also mit einem Winkel ε von etwas weniger als 15°, verschwenkt werden, wie in der Zeichnung veranschaulicht.

Wenn der Abstand D zwischen den Spiegeln 1 und 2 kleiner wird, also z. B. 2λ beträgt, ergibt sich für den Strahl 1. Ordnung nach der Formel (1)

und für den Strahl 2. Ordnung nach dieser Formel

Das heißt, der Strahl 1. Ordnung kann bei einem Spiegelabstand von 2λ einen Winkel ε von annähernd 60° überstreichen. Der Strahl 2. Ordnung läßt sich praktisch ganz unterdrücken, wenn die Linse 6 bzw. der Brennfleck 7 genau auf den Spalt der Blende 12 justiert sind.

Damit ist ersichtlich, je geringer der Spiegelabstand D ist, um so größer ist der Schwenkwinkel ε des ausgesandten Strahls 11. Bei einem größeren Spiegelabstand D wird also nur noch ein kleiner Schwenkwinkel ε erreicht, so daß in der Praxis D im allgemeinen kleiner als 20λ, insbesondere kleiner als 5λ ist.

Weiterhin muß bei der Ausführungsform nach Fig. 2 der Abstand D zwischen den Spiegeln 1 und 2 größer sein als die Breite B des Brennflecks 7. Andernfalls tritt nämlich auch an dem Spiegel 2 eine Totalreflexion auf und damit kein durch ein virtuelles Gitter 9 erzeugtes, aus dem Spiegel 2 austretendes Beugungsspektrum.

Die Breite der Strahlen und damit auch des Strahls 1. Ordnung ist von der Breite des virtuellen Gitters 9, also von der Anzahl der virtuellen Gitterpunkte P1, P2, P3, abhängig. Die Anzahl der virtuellen Gitterpunkte P1, P2, P3, . . ., die den Strahl 1. Ordnung erzeugen, soll daher möglichst groß sein, wie nachstehend näher erläutert.

Auf der anderen Seite ist ersichtlich, daß die Intensität der virtuellen Gitterpunkte P1, P2, P3, . . . abnimmt, je weiter sie von den Spiegeln 1 und 2 entfernt sind, da bei jeder Reflexion an dem teildurchlässigen Spiegel 2 ein Teil des Lichts hindurchtritt und damit nicht mehr reflektiert wird, um einen virtuellen Gitterpunkt P1, P2, P3, . . . zu bilden.

Zur Erzeugung möglichst vieler intensiver Gitterpunkte P1, P2, P3, . . . ist es deshalb erforderlich, daß der Spiegel 2 ein sehr hohes Reflexionsvermögen von mehr als 90%, vorzugsweise mehr als 98%, insbesondere mehr als 99%, besitzt.

Die Erzeugung möglichst vieler intensiver Gitterpunkte P1, P2, P3, . . ., also ein möglichst breites virtuelles Gitter 9, ist deswegen anzustreben, weil ein breites virtuelles Gitter 9 zu einem kleinerem Öffnungswinkel des aus dem Spiegel 2 austretenden Strahls 11 führt, dessen Richtung geändert werden soll, also in der Praxis des Strahls 1. Ordnung.

Für den Öffnungswinkel α eines Strahls gilt:

worin d der Strahldurchmesser ist und λ die Wellenlänge des Lichtes.

Das heißt, bei einem Spiegelabstand D und damit einer Gitterkonstante G von 2λ wird mit 100 intensiven Gitterpunkten P1, P2, P3, . . . ein Gitter 9 mit einer Breite von 200λ gebildet, so daß nach (2) ein Öffnungswinkel α erhalten wird von

Bei gleicher Gitterkonstante von 2λ, einem geringerem Reflexionsvermögen des teildurchlässigen Spiegels 2, also beispielsweise nur 20 intensiven Gitterpunkten P1, P2, P3, . . . und damit einer Gitterbreite von 20λ, erhält man nach der Formel (2)

Man erhält also einen wesentlich größeren Öffnungswinkel α und damit bei gleichem Projektionsabstand einen entsprechend weniger scharfen Projektionsfleck.

Wie erwähnt, muß bei der Ausführungsform nach Fig. 2 die Breite B des Brennflecks 7 kleiner sein als der Abstand D der Spiegel 1 und 2, weil sonst kein virtuelles Gitter 9 gebildet wird. Ferner soll, wie erwähnt, der Abstand D der Spiegel 1 und 2 im Hinblick auf einen möglichst großen Schwenkwinkel ε möglich klein sein. Demzufolge ist es von Bedeutung, daß der Brennfleck 7 eine möglichst kleine Breite B besitzt.

Hingegen ist die Länge des Brennflecks 7, also dessen Erstreckung senkrecht zur Strahlachse 8 und parallel zu der Ebene der Spiegel 1 und 2, keiner derartigen Beschränkung unterworfen. Demgemäß wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein strichförmiger Brennfleck 7 erzeugt. Das heißt, die Breite des Brennflecks 7 beträgt vorzugsweise weniger als 5λ, insbesondere 2λ oder weniger, jedoch im Hinblick auf eine hohe Intensität ist die Länge des Brennflecks 7 wesentlich größer, beispielsweise 1 mm oder mehr.

Der strichförmige Brennfleck 7 kann anstelle der Zylinderlinse 6 auch in anderer Weise erzeugt werden, beispielsweise mit einem Zylinderspiegel oder einem festen holographischen Gitter.

Um insbesondere Fehler der Linse 6 auszublenden, kann eine Lochblende 12 im Bereich des Brennflecks 7 vorgesehen sein. Die Öffnung der Lochblende 12 ist dabei entsprechend dem strichförmigen Brennfleck 7 als Schlitz ausgebildet.

Die Lochblende 12 ist insbesondere dann notwendig, wenn die Breite B des durch die Lochblende 12 hindurchtretenden Laserstrahls klein sein soll, z. B. weniger als 2λ, da ein Brennfleck 7 dieser Größe in der Praxis nicht erhältlich ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung genügen geringfügige Änderungen des Abstands D im Bereich eines Bruchteils der Wellenlänge λ des Laserlichts, um den Laserstrahl über einen großen Winkel ε mit großer Schärfe abzulenken. Dies geschieht vorteilhaft durch Änderung des Abstands D mit den piezoelektrischen Wandlern 3.

Damit der Brennfleck 7 bei der Ausführungsform nach Fig. 2 in der Mitte zwischen den Spiegeln 1, 2 liegt, werden an beiden Spiegeln 1, 2 piezokeramische Wandler 3 angebracht, die zu einer synchronen entgegengerichteten Bewegung der beiden Spiegel 1, 2 führen.

Wie erwähnt, muß bei der Ausführungsform nach Fig. 2 mit einem einfallenden Laserstrahl 5, dessen Strahlachse 8 parallel zu den beiden Spiegeln 1, 2 verläuft, der Abstand D zwischen den Spiegeln 1, 2 größer sein als die Breite B des Brennflecks 7, da dort der Plattenabstand D gleich der Gitterkonstante G des virtuellen Beugungsgitters 9 ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mit schräg zwischen den Spiegeln 1, 2 einfallendem Laserstrahl 5 ist hingegen die Gitterkonstante G des virtuellen Beugungsgitters 9 zweimal so groß wie der Plattenabstand D. D. h., dort kann der Brennfleck doppelt so groß wie der Plattenabstand D sein. Allgemein gilt daher, daß die Breite B des Brennflecks 7 kleiner als die Gitterkonstante G des virtuellen Beugungsgitters 9 sein muß.

Bemerkt sei, daß eine Laserablenkung durch eine Blende ohne Zuhilfenahme einer Linse grundsätzlich auch möglich ist. Diese ist jedoch sehr lichtschwach und würde zu allen rechnerisch möglichen Beugungsordnungen führen.

D. h., bei einer Blendenöffnung von z. B. 2λ und einer Gitterkonstante G von 4λ erhält man einen Strahl 1. Ordnung bei 15°, einen Strahl 2. Ordnung bei 30° und einen Strahl 3. Ordnung bei 90°.

Wird jedoch der Strahl 5 fokussiert, wobei die Fokussierungsfunktion die Umkehrfunktion der Beugungsfunktion ohne mehrere Beugungsordnungen ist, fallen, je näher sich die Fokusbreite B der Spaltbreite D nähert, die höheren Ordnungen weg (2. und 3. Ordnung).

Am Beispiel Spaltbreite 2λ: Um eine Fokusbreite von 2λ zu erreichen, muß der einfallende Lichtkegel einen Öffnungswinkel von 60° aufweisen. Wie nun aus Fig. 2 ersichtlich, ist dann bei exakter Fokussierung und Justierung keine weitere Öffnung des Strahlkegels durch Beugung 1. Ordnung beim Durchgang durch die Blendenöffnung mehr vorhanden. Es wird also nur ein Bereich von 30° links und rechts von den Spiegeln 1, 2 ausgeleuchtet, so daß die 2. Beugungsordnung unterdrückt wird, sobald sie über 30° hinaustritt.

Will man jedoch kleinere Fokusbreiten B als 2λ, kommt man aber, bedingt durch den erforderlichen immer größer werdenden Öffnungswinkel des Strahlkegels, bald an die Grenzen der herkömmlichen Linsentechnik.

Um eine Fokusbreite B von 1λ zu erreichen, würde man einen Lichtkegel mit einem Öffnungswinkel von 180° benötigen. Dies ist bisher technisch nicht möglich. Läßt man jedoch einen so gut wie möglich fokussierten Laserstrahl 5 durch eine Blendenöffnung von 1λ, erhält man hinter dem Spalt durch Beugung 1. Ordnung den erforderlichen Lichtkegel. Deshalb ist bei sehr kleiner Spaltbreite die Blende 12 nötig.

Aufgrund der geringen Spaltbreiten D ist es ferner sinnvoll, die Vorrichtung im Vakuum zu betreiben, um sie vor äußeren Einwirkungen zu schützen.

Durch Intensitätsmodulation des Lasers 4 über die Steuerung von dessen Betriebsstrom, ggfs. auch über einen gepulsten Betriebsstrom, wobei die Länge des Pulses ein Maß für die Helligkeit des Bildpunktes ist, kann damit ein Fernsehbild projiziert werden. Dabei ist es ausreichend, wenn mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der abgelenkte Strahl die Zeilen des Fernsehbildes projiziert, also mit einem der Länge der Zeilen entsprechenden Winkel verschwenkbar ist. Die Ablenkung des Strahls von Zeile zu Zeile, die mit einer wesentlich geringeren Frequenz erfolgt, kann mit herkömmlichen Einrichtungen, beispielsweise einem verschwenkbaren Spiegel durchgeführt werden.

Wenn drei Laser mit rotem, grünem und blauem Laserlicht verwendet werden, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Farbfernsehbild projiziert werden. Als Laser kann beispielsweise ein Gaslaser verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist ein Halbleiterlaser, jedoch sind im Handel bisher nur Rotlicht-Halbleiterlaser erhältlich.

Weitere Anwendungsbeispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung stellen die projizierte Frontscheibenanzeige (head-up display), optische Speicher sowie Laserdrucker dar.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Veränderung der Richtung der Strahlung eines Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines virtuellen Beugungsgitters (9) ein erster Spiegel (1) und ein dazu plan-paralleler, im Abstand (D) angeordneter zweiter Spiegel (2) mit einem Reflexionsvermögen von weniger als 100%, sowie eine Einrichtung zur Fokussierung der Strahlung des Lasers (4) zu einem Brennfleck (7) zwischen den beiden Spiegeln (1, 2) vorgesehen sind und die Richtung der durch das virtuelle Beugungsgitter (9) gebildeten und aus dem zweiten Spiegel (2) austretenden Laserstrahlung (11) durch eine Einrichtung zur Änderung des Abstands (D) der Spiegel (1, 2) veränderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Strahlung des Lasers (4) zu einem sich parallel zu den Ebenen der Spiegel (1, 2) und senkrecht zur Strahlachse (8) erstreckenden strichförmigen Brennfleck (7) fokussierende Laserstrahlungsfokussierungs-Einrichtung vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lochblende (12) mit einer dem Brennfleck (7) entsprechenden Öffnung vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante (G) des virtuellen Beugungsgitters (9) größer ist als die Breite (B) des Brennflecks (7).

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (D) der Spiegel (1, 2) weniger als das 10fache der Wellenlänge des Laserlichts beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (2) ein Reflexionsvermögen von mehr als 90% aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlungs­ fokussierungseinrichtung eine Zylinderlinse (6), einen Zylinderspiegel oder ein festes holographisches Gitter aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Änderung des Abstands (D) der Spiegel (1, 2) durch einen piezoelektrischen Wandler (3) gebildet wird.

9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Projektion eines Fernsehbildes für einen Laserdrucker, einen optischer Speicher oder eine projizierte Frontscheibenanzeige.