DE69223076T2 - Verfahren zur Strahlsteuerung in einem durch fein unterteilte Öffnungen adressierten optischen Strahlablenker - Google Patents

Verfahren zur Strahlsteuerung in einem durch fein unterteilte Öffnungen adressierten optischen Strahlablenker

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DE69223076T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetischen Strahlsteuereinrichtung mit einer Gruppe von Mitteln zur Erzeugung einer Phasenverschiebung an einer elektromagnetischen Welle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
  • a) Aufteilen der Gruppe in eine Anzahl von Periodenabschnitten; und
  • b) Anlegen von Spannungen an die Phasenschiebermittel derart, daß eine Treppenkurve von an die Phasenschiebermittel angelegten Spannungen für jeden Periodenabschnitt resultiert.
  • Ein Verfahren dieser Art zum Betrieb eines statischen Ablenkers zum Ablenken eines polarisierten Infrarotstrahls ist in dem US-Patent 4 639 091, erteilt am 27. Januar 1987 an J.P. Huignard u.a. vorgeschlagen worden. Der "Huignard u.a."-Strahlenablenker umfaßt eine geschichtete quadratische Platte, welche als Frontschicht ein Fenster aufweist, auf welchem Streifenelektroden abgelagert sind. Sowohl das Fenster als auch die Streifenelektroden sind gegenüber einem einfallenden Infrarotstrahl transparent. Eine Mittelschicht des Strahlablenkers enthält eine elektrooptische Flüssigkristallschicht. Die Bodenschicht enthält ein Substrat, das eine gemeinsame Elektrode angrenzend an die Flüssigkristallschicht aufweist. Die gemeinsame Elektrode ist vorzugsweise bei der Strahlwellenlänge reflektierend, beispielsweise handelt es sich um einen Goldfilm. Alternativ kann für einen Strahlablenker, der durchlassend arbeitet, eine transparente Rückenplatte verwendet werden.
  • Huignard u.a. schlagen eine periodische Treppenwellenform vor, welche N Spannungsstufen aufweist, welche an die Streifenelektroden geführt werden, wodurch örtliche Veränderungen des Brechungsindex in der Flüssigkristallschicht in solcher Weise erzeugt werden, daß man ein Beugungsgitter einstellbarer Teilung erhält.
  • Praktische Anwendungen des optischen Strahlablenkers mit Streifenelektroden und Flüssigkristallzelle sind in dem US-Patent 4,964,701 "Deflector for an Optical Beam", erteilt am 23. Oktober 1990 an Terry A. Dorschner u.a., sowie in dem US-Patent 5 018 835 "Deflector for an Optical Beam Using Refractive Means", erteilt am 28. Mai 1991 an Terry A. Dorschner, offenbart. Diese sowie auch andere Anwendungen der optischen Strahlsteuerung unterstreichen die Notwendigkeit einer raschen und unter großem Winkel steuerbaren Ausrichtung und Abtastung der optischen Strahlen, insbesondere von großen Durchmesser aufweisenden, beugungsbegrenzten Kohlendioxid-Laser-Radarstrahlen. Kurz gesagt, es existiert der dringende Bedarf an einer optischen Version der vielseitigen phasengesteuerten Gruppenantennen, wie sie gegenwärtig für Mikrowellenradarsysteme breite Verwendung finden.
  • Eine optische phasengesteuerte Gruppenantenne für die elektronische Steuerung optischer Strahlen ist praktisch schwierig zu realisieren, was auf der sehr großen Anzahl von Phasenschiebern und der entsprechenden außerordentlich hohen Dichte von elektrischen Anschlüssen beruht, welche zum Betrieb einer optischen Gruppe erforderlich sind. Eine qualitativ hochwertige Strahlsteuerung über einen großen Winkel erfordert, daß die einzelnen Phasenschieber der Gruppe Abstände haben, welche geringer als die Wellenlänge des zu steuernden Lichtes sind. Abstände von einer halben bis zu einer Wellenlänge werden im allgemeinen für phasengesteuerte Gruppenantennen im Mikrowellenbereich gewählt und es ist anzunehmen, daß vergleichbare Abstände in optischen Systemen verwendet werden.
  • Die Herstellung von optischen Flüssigkristall-Phasenschiebern dieser Abmessung ist bei Verwendung von Halbleiter-Photolithographie durchaus möglich. Gegenwärtig können Geräte mit Elektrodenbreiten von weniger als 2 µm leicht hergestellt werden. Außerdem sind mit Litographieverfahren nach dem Stande der Technik Abstände im Submikronbereich möglich. Die Verbindung jedes der Phasenschieber einer großen Gruppe mit unabhängigen Spannungsquellen erscheint aber eine gigantische Aufgabe zu sein.
  • Betrachtet man den mehr oder weniger optimalen Fall von Halbwellenabständen, so wäre, wenn sämtliche der Phasenschieber einer linearen eindimensionalen Gruppe unabhängig zu adressieren sind, die Dichte der Randverbindungen 2000 je Zentimeter (cm) der Apertur bei 10 µm Wellenlänge, und 20000 je cm bei einer Wellenlänge von 1 µm. Da Aperturen bis hinauf zu einem Meter gewünscht werden, könnte die Zahl der elektrischen Verbindungen, die für einen herkömmlich betriebenen Aufbau einer phasengesteuerten Gruppe erforderlich wäre, eine Million, oder selbst darüber, für Wellenlängen im sichtbaren Bereich sein. Eine zweite eindimensionale Einheit zur Abdeckung einer zweiten Dimension der Steuerung würde eine gleiche Anzahl von Verbindungen erforderlich machen. Zahlen von außerhalb des Chip verlaufenden Verbindungen dieser Größenordnung sind als bei weitem zu groß anzusehen, insbesondere, wenn man berücksichtigt, daß es gegenwärtige Praxis ist, nicht mehr als einige wenige hundert außerhalb des Chips verlaufende Verbindungen in der herkömmlichen Halbleitertechnologie zu verwenden.
  • Es sind auch optische phasengesteuerte Gruppensysteme bekannt, bei denen die Phasenschieber und die Abstände größer als eine Wellenlänge sind, was zu einer entsprechenden Qualitätsverschlechterung führt. Die resultierende Verminderung von Phasenschiebern setzt offensichtlich die erforderliche Anzahl von Elektrodenanschlüssen herab. Gleichwohl erscheint dieser Lösungsversuch für viele Anwendungsfälle unannehmbar, da Abstände größer als eine Wellenlänge im allgemeinen zur Entstehung von Mehrfach-Ausgangsstrahlen für einen einzelnen Eingangsstrahl führen.
  • Handelt es sich bei dem Anwendungsfall gemäß der vorliegenden Erfindung um ein Laserradarsystem, so ist es im allgemeinen wesentlich, daß nur ein Strahl vorhanden ist. Das Vorhandensein von Mehrfachstrahlen kann für bestimmte Sendefunktionen toleriert werden; die in den gewünschten Strahl eingegebene Leistung wird lediglich reduziert, allerdings um einen großen Faktor. Im Empfangsmodus jedoch kann die gleichzeitige Empfindlichkeit gegenüber Energie von einer Mehrzahl von Richtungen Anlaß zu einer unannehmbaren Mehrdeutigkeit bezüglich der Zielrichtung geben.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren der zuvor eingangs definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Anlegens der Spannungen das Parallelanlegen von Spannungen an eine Mehrzahl identischer Untergruppen umfaßt, in welche die Gruppe von Phasenschiebermitteln unterteilt ist, wobei die Strahlsteuereinrichtung dauerhaft verbundene, parallele Adressierungsmittel enthält, an welche die Spannungen gelegt werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen folgendes:
  • ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer Strahlsteuerung in einer optischen Strahlsteuereinrichtung;
  • ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer Strahlsteuerung in einer optischen Strahlsteuereinrichtung, welche eine große Anzahl von Streifenelektroden-Phasenschiebern enthält, die in eine Anzahl identischer Untergruppen unterteilt sind, wodurch eine Steuerung hoher Auflösung von optischen Strahlen großen Durchmessers erreicht wird;
  • ein Verfahren zum Betrieb einer in einer Unterapertur adressierten optischen Strahlsteuereinrichtung zur Erzielung einer optischen Strahlsteuerung hoher Qualität bei Strahlen großen Querschnittes, sowie Verfahren zur Erzeugung einer erhöhten Vielzahl von Steuerwinkeln in einer solchen Einrichtung.
  • In einer Ausführungsform existiert eine identische Anzahl von Phasenschiebern in jedem Periodenabschnitt. In einer zweiten Ausführungsform ist jede Untergruppe ihrerseits in eine Anzahl von Periodenabschnitten unterteilt, wobei nicht alle der Periodenabschnitte jeweils gleiche Zahlen von Phasenschiebern aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Treppenkurve der zu den Phasenschiebern jedes Periodenabschnittes geleiteten Spannungen so gewählt, daß sich eine Phasenrampe von 2π über den Periodenabschnitt hin ergibt.
  • In einer Konfiguration enthält die Strahlsteuereinrichtung eine Gruppe von optischen Phasenschiebern mit einer gemeinsamen Elektrode auf einer ersten Oberfläche, eine Anzahl von 5 parallelen Streifenelektroden auf einer zweiten Oberfläche, und einem elektrooptischen Phasenschiebermedium zwischen der ersten und zweiten Oberfläche. Die Strahlsteuereinrichtung enthält zusätzlich M Zwischenverbinder, von denen jeder mit S/M der Streifenelektroden gekoppelt ist, wobei der i-te Zwischenverbinder mit jeder der (i + jM)-ten Streifenelektrode für alle ganzzahligen Werte von j von bis (S/M)-1 gekoppelt ist. Die Strahlsteuereinrichtung enthält ferner Mittel zur Kopplung von M Steuersignalen einzeln zwischen den M Zwischenverbindern und der gemeinsamen Elektrode, wodurch örtliche Veränderungen des Brechungsindex in dem Phasenschiebermedium erzeugt werden.
  • Mit dieser Anordnung ist es möglich, eine große Zahl von Strahlsteuerstellungen für eine im Subaperturbereich adressierte Strahlsteuereinrichtung zu erzeugen, in welcher die Größe der Subapertur ausreichend klein ist, um die Zahl der erforderlichen elektrischen Verbindungen mit gegenwärtiger Technologie handhaben zu können. Durch Wahl von ungleichen Periodenabschnitten oder von Kombinationen gleicher und ungleicher Periodenabschnitte können wesentlich mehr Zustände adressiert werden, als durch lediglich rechnerische Unterteilungen der Untergruppen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorstehenden Merkmale der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile können voll umfänglicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen:
  • Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Flüssigkristall-Strahlablenkeinrichtung ist;
  • Fig. 2a eine Aufsicht und Fig. 2b eine Querschnittsansicht einer vereinfachten Ausführungsform einer im Subaperturbereich adressierten optischen Strahlsteuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen; und
  • Fig. 3 eine Graphik des Strahlsteuerwinkels in Abhängigkeit von der Phasen-Rampensteigung für eine optische Strahlsteuereinrichtung mit 48-Element-Untergruppen zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Das Strahlsteuerverfahren nach der vorliegenden Erfindung wird hier unter besonderer Bezugnahme auf ein Beispiel einer optischen Strahlsteuereinrichtung beschrieben. Dieses Beispiel einer optischen Strahlsteuereinrichtung, welche eine Adressierung einer Vielzahl von Phasenschiebern einer Subapertur vorsieht, ist im einzelnen in der gleichzeitig anhängigen Europäischen Patentanmeldung Nr. 92301729.7, Veröffentlichungsnummer 0 501 824 offenbart.
  • Bezugnehmend auf Fig. 1 ist festzustellen, daß hier in schematischem Querschnitt eine Flüssigkristall-Strahlsteuereinrichtung 10 gezeigt ist. Die Einrichtung 10 enthält eine Flüssigkristallzelle mit Fenstern 12 und 14, welche in dem interessierenden Frequenzbereich optisch transparent sind. Eine gemeinsame Elektrode 16, welche an dem Fenster 12 befestigt ist, ist elektrisch leitfähig und optisch transparent. Elektroden 181, 182, 183,..., welche gemeinsam als Elektroden 18 bezeichnet sind, und welche an dem Fenster 14 befestigt sind, umfassen eine Vielzahl elektrisch leitfähiger, optisch transparenter Streifen. Zur Steuerung der Strahlen eines Kohlendioxidlasers haben die Elektroden 18 beispielsweise eine Breite von 4 bis 10 µm und haben voneinander einen Abstand von annähernd 1 µm. Der Raum zwischen den Fenstern 12 und 14 ist von einer Schicht aus Flüssigkristallmolekülen 20 erfüllt, beispielsweise lange, dünne, stabartige organische Moleküle in der sogenannten "nematischen" Phase.
  • Der optische Strahl-Phasenschieber 10 von Fig. 1 wird von einer Lichtquelle und einem Strahlformungsnetzwerk (nicht dargestellt) beaufschlagt, welche einen Strahl polarisierten Lichtes 22 im Bereich vom sichtbaren Licht bis weit ins Infrarote erzeugen. Der Lichtstrahl 22, welcher in Teilen durch die Strahlen 22a bis 22c repräsentiert wird, ist auf das Fenster 14 der optischen Einrichtung 10 gerichtet. Der Lichtstrahl 22 kann senkrecht auf die Ebene treffen, welche durch die Streifenelektroden 18 aufgespannt wird, oder er kann schräg auftreffen, vorzugsweise derart, daß seine Projektion auf die von den Streifenelektroden 18 aufgespannte Ebene parallel zur Längsrichtung der Elektroden 18 orientiert ist.
  • Charakteristisch für Flüssigkristallmoleküle, deren Orientierung durch Ausrichtungsschichten wohl definiert ist, ist es, daß das Anlegen eines elektrischen Feldes senkrecht zu der Ausrichtungsschicht die Geschwindigkeit des Lichtes beeinflußt, dessen Polarisation parallel zu den durchdrungenen Ausrichtungsschichten ist, und damit die Verzögerung beeinflußt. In dem vereinfachten Beispiel von Fig. 1 resultiert also das Anlegen unterschiedlicher Potentiale zwischen der gemeinsamen Elektrode 16 und den einzelnen Streifenelektroden 18 durch einen Steuerspannungsgenerator 26 in unterschiedlichen elektrischen Feldern in den Bereichen zwischen den einzelnen Streifenelektroden 18&sub1;, 18&sub2;, 18&sub3;,..., und der gemeinsamen Elektrode 16, wodurch örtliche Veränderungen des Brechungsindex in der Flüssigkeitskristallschicht 20 erzeugt werden.
  • In dem vorliegenden vereinfachten Beispiel sind die Potentiale, welche den Elektroden 18 erteilt werden, auf welche die Strahlen 22a, 22b und 22c treffen, und welche schematisch als Treppenquelle 26a dargestellt sind, solcher Art, daß sie die größte Verzögerung an dem austretenden Strahl 24c, und die geringste Verzögerung an dem austretenden Strahl 24a verursachen. Somit wird die Wellenform 17 des Strahles 24, welcher von der optischen Strahlablenkeinrichtung 10 austritt, gegenüber der eintreffenden Wellenform geneigt. Man erkennt daher, daß die optische Strahlablenkeinrichtung 10 von Fig. 1 eine selektive Strahlsteuerung entsprechend den elektrischen Potentialen erzeugt, welche an die Streifenelektroden 18 gelegt werden.
  • Die Anlegung von Steuerspannungssignalen an die einzelnen Streifenelektroden 18 zum Zwecke der Strahlsteuerung ist analog den Verfahren, wie sie in der herkömmlichen Mikrowellen-Radarstrahlsteuerung verwendet wird, wie beispielsweise in Radar Handbook, M.I Skolnik, Ed., McGraw- Hill, New York, 1970, Kapitel 11, ausgeführt ist. Wie durch das Beispiel der Wellenform 26a gezeigt, kann eine Mehrzahl von Steuerspannungssignalen, die räumlich periodisch sind und einen kontinuierlichen Fortschritt der Spannungsstufen innerhalb jeder Periode zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert haben, an die Vielzahl von Streifenelektroden 18 geführt werden. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung nur auf die Mehrzahl von Steuerspannungssignalen zu beschränken, welche periodisch sind.
  • Im Betrieb der Strahlsteuereinrichtung geschieht folgendes: Eine Treppenkurve 26a von Spannungen wird an die Elektroden 18 gelegt, wobei die Spannungspegel so gewählt sind, daß sich eine gleichförmige Treppe oder die Annäherung an eine Schräge, der Phasenverschiebungen über die Apertur hin ergibt. Nachdem die Reaktion des Flüssigkristalls nicht linear ist, enthält der Spannungsanstieg nicht notwendigerweise gleiche Schritte. Die Phasenschieber können modulo 2π betrieben werden, wie dies auch bei Mikrowellengruppen geschieht, um das Erfordernis großer Phasenverschiebungen zu vermeiden. Die resultierende Sägezahnverteilung der Phase ist equivalent zu einem einzigen kontinuierlichen Phasenanstieg, der wie ein Prisma wirkt und den Eingangsstrahl entsprechend dem Steigungsgrad des aufgeprägten Phasenanstiegs steuert.
  • Betrachtet man nun die Mittel zur Lieferung der einzelnen Steuerspannungen an die Streifenelektroden 18, so gibt die gleichzeitig anhängige Europäische Patentanmeldung Nr. 92301729.7 eine Struktur zur Kombination der Vielzahl von Elektroden in eine Mehrzahl von Untergruppen an, wobei jede Untergruppe eine Anzahl von Elektroden enthält, die dazu ausreicht, eine geeignete Verteilung der Strahlsteuerwinkel für den beabsichtigten Anwendungsfall hervorzubringen.
  • Es seien nun die Figuren 2A und 2B betrachtet. Hier sind schematisch Aufsichts- bzw. Querschnittsansichten eines Teiles einer vereinfachten Strahlsteuereinrichtung nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Einrichtung enthält eine Flüssigkristallzelle 52 mit Fenstern 40 und 44 und einer dazwischen gelegenen Schicht von Flüssigkristallmolekülen 50. Genau wie bei der Strahlsteuereinrichtung 10 von Fig. 1 enthält die Zelle 52 eine gemeinsame Elektrode 42 auf einer Innenfläche des Fensters 44, und eine Vielzahl von Streifenelektroden 30(1,1), 30(1,2),..., 30(1,6), 30(2,1),..., 30(2,6),..., 30(n,1),..., 30(n,6), welche kollektiv als Streifenelektroden 30 bezeichnet sind und welche auf einer Innenfläche des Fensters 40 angeordnet sind.
  • Man erkennt daher, daß die Strahlsteueranordnung nach den Figuren 2A und 2B eine große Gruppe von Streifen-Phasenschieber enthält, wobei jeder Phasenschieber von einer der Streifenelektroden 30, der gemeinsamen Elektrode 42 und den dazwischen befindlichen Flüssigkristallmolekülen 50 gebildet ist. Die Phasenschieber haben eine seitliche Ausdehnung Λ = w + Δ, worin W die Breite der Streifenelektrode 30 ist und Δ der Zwischenraum zwischen den Streifenelektroden 30 ist. Die Phasenschieber überdecken gleichförmig im wesentlichen die gesamte Apertur der Strahlsteueranordnung.
  • Entsprechend der technischen Lehre der Europäischen Patentanmeldung 92301729.7 ist eine Anzahl von n Untergruppen 38(1),..., 38(n), gebildet, welche kollektiv als Untergruppen 38 bezeichnet und durch Überbrückungsbänder oder Jumper oder Verbinderstreifen 32(1), 32(2),..., 32(6) gebildet sind, welche kollektiv als Jumperstreifen oder Verbinder 32 bezeichnet werden. Für die leichtere Darstellung ist eine Größe der Untergruppen von sechs Phasenschiebern gezeigt. Der Verbinder 32(1) verbindet die Streifenelektroden 30(1,1), 30(2,1),..., und 30(n,1); der Verbinder 32(2) verbindet die Streifenelektroden 30(1,2), 30(2,2),..., und 30(n,2); usw. Der Verbinder 32(1) ist mit der Streifenelektrode 30(1,1) durch das Leiterelement 34(1,1) verbunden, mit der Streifenelektrode 30(2,1) durch das Leiterelement 34(2,1) verbunden,..., und mit der Streifenelektrode 30(n,1) durch das Leiterelement 34(n,1) verbunden. Allgemein ist zu sagen, daß die Verbinder 32(i) mit den Streifenelektroden 30(j,i) durch Leiterelemente 34(j,i) verbunden sind, wobei j von 1 bis zu der Zahl der Untergruppen n läuft und i von 1 bis zu der Zahl der Phasenschieber M innerhalb jeder Untergruppe läuft. Jeder Verbinder 32(i) endet in einem Kontaktflecken 36(i) zum Anschluß an eine äußere Verdrahtung zum Zwecke der Anlegung der Steuerspannungen hieran. Die Leiterelemente 34 erstrecken sich durch eine transparente Isolationsschicht 46. In entsprechender Weise ist die gemeinsame Elektrode 42 mit einem Kontaktflecken 48 zum Anschluß an eine äußere Leitung zum Zwecke des Anlegens einer Bezugsspannung daran verbunden.
  • In dem in den Figuren 2A und 2B gezeigten Beispiel ist jede sechste Elektrode 30 parallel geschaltet und es gibt gerade sechs Adressenleitungen, welche über die Kontaktflecken 36 an äußere Spannungsquellen angeschlossen werden müssen, anstelle von Tausenden, welche normalerweise für Aperturen von 1 cm oder größer erforderlich wären. Außerdem ist eine einzige Erdungsverbindung erforderlich, unabhängig von der Anzahl von Elektroden 30 in einer Untergruppe 38 oder in der gesamten Gruppe.
  • Zwar sind die beispielsweise gezeigten sechs Phasenschieber jeder Untergruppe 38 unabhängig adressierbar, doch ist jeder Phasenschieber permanent parallel zu den entsprechenden Phasenschiebern jeder der anderen Untergruppen 38 geschaltet. Gleichgültig also, welche räumliche Phasenverteilung einer Untergruppe 38 mitgeteilt wird, so wird diese über die volle Apertur hinweg wiederholt.
  • Der untergruppenweise adressierte optische Strahlsteuerer, der hier offenbart und im einzelnen in der Europäischen Patentanmeldung 92301729.7 beschrieben ist, wird in entsprechender Weise betrieben, wie eine herkömmliche phasengesteuerte Gruppe, d.h. es wird eine stufenweise Annäherung an eine Phasenrampe oder Phasenschräge über die Strahlsteuerungsapertur hin durch Anlegen eines entsprechenden Stufenwellenprofils von Spannungen an die Elektroden gebildet (siehe Fig. 1). Wie bei herkömmlichen phasengesteuerten Gruppen können die Phasenschrägen oder -rampen modub 2π mit der Maximalamplitude 2π angelegt werden. Im vorliegenden Beispiel kann nur eine begrenzte Anzahl von Rampenperiodenabschnitten künstlich gebildet werden, da nur eine begrenzte Anzahl von Phasenschiebern, nämlich M, die Zahl in jeder Untergruppe, unabhängig adressierbar ist. Dies begrenzt die Zahl adressierbarer Strahlpositionen; es ist jedoch möglich, trotzdem eine verhältnismäßig große Anzahl von Positionen zu erreichen, selbst für mittlere Untergruppengrößen, wie nachfolgend dargelegt wird.
  • Identische Anstiege mit Periaden NΛo, welche ganzzahlige Faktoren der Untergruppenperiode MΛo sind, können ohne Diskontinuitäten an den Untergruppenrändern zur Anwendung kommen. Dies ist eine wichtige Überlegung zum Einhalten niedriger Pegel der Seitenstrahlungskeulen. Rampen oder Anstiege aus N Phasenschritten, wobei N durch ±6, ±3, ±2, und unendlich gegeben ist, können beispielsweise mit den Untergruppen von den Figuren 2a und 2b erzeugt werden. Jeder dieser Rampenperiodenabschnitte entspricht einer adressierbaren Strahlposition, gegeben durch den Ausdruck
  • Θ = sin&supmin;¹(λ/NΛo), worin λ die Wellenlänge im freien Raum des optischen Strahles ist.
  • Für den Fall eines Halbwellenabstandes, d.h., λ = 2Λo, sind die erreichbaren Einstellwinkel jeweils ±19,47º bzw. ± 41,81º, bzw. ±90º, bzw. 0º. Dies sind große Steuerwinkel, was eine Folge davon ist, daß die Untergruppe sehr klein ist. Der 90º-Fall ist tatsächlich nicht von praktischer Bedeutung, da sehr wenig Energie tatsächlich in diese Richtung gelenkt würde. Die effektive Strahlerfläche des Gerätes reduziert sich auf Null.
  • Im allgemeinen umfassen Untergruppen mit größeren Zahlen von Phasenschiebern kleinere Steuerwinkel. Beispielsweise ergeben Untergruppen von 48 Phasenschiebern die Verteilung der Steuerwinkel, wie sie in Fig. 3 für den Fall exakter faktorieller Perioden (hier Rampensteigung bezeichnet) gezeigt sind. Ein Abstand Λo von einer Wellenlänge zwischen den Streifenelektroden der Phasenschieber wurde hier vorausgesetzt. Nur diejenigen Winkel, die innerhalb eines Blickfeldes von ±10º liegen, sind gezeigt. Dies ist ein ziemlich typischer Bereich von Interesse. Man kann aus Fig. 3 ersehen, daß die Verteilung der erzielbaren Winkel ziemlich gleichförmig ist und daß die Winkel tatsächlich annähernd Vielfache der kleinsten Steuerwinkel
  • Θmin = sin&supmin;¹(λ/MΛo) sind. Dieser Trend in Richtung auf gleichförmigen Winkelabstand nimmt zu, wenn die Zahl der Elemente in der Untergruppe zunimmt. Der Abstand zwischen den Strahlen nimmt in gleicher Weise ab, wie die Anzahl von Elementen in der Untergruppe zunimmt.
  • Andere Anregungstechniken gestatten die Adressierung zusätzlicher Strahlrichtungen. Als ein Beispiel sei angegeben, daß zusätzliche Periodenabschnitte durch die lineare Überlagerung der obigen exakten Periodenabschnitte gebildet werden können. Unterschiedliche und in verschiedener Weise wirksame Periodenabschnitte können durch die Kombination von Perioden gebildet werden, die sich zu der Untergruppenabmessung addieren, so daß sich keine Diskontinuitäten an den Untergruppengrenzen ergeben. Für die obigen Untergruppen aus sechs Elementen ist die einzige unterschiedliche effektive Wellenform eine Zweielement-Rampe, gefolgt durch eine Vierelement-Rampe. Für Untergruppen mit einer größeren Anzahl M von Phasenschiebern aber gibt es viele solche Kombinationen, die verschiedene wirksame Periodenabschnitte ergeben. Insbesondere können Kombinationen gefunden werden, um jedes mögliche ganzzahlige Vielfache von 2π-Phasenverschiebungen (ganze Wellen) über die Untergruppe hin zu erzeugen, von eins bis M/2, wobei M die Zahl der Phasenschieber in der Untergruppe ist. Dies entspricht M/2 nahezu gleich beabstandeten einzelnen Strahlsteuerrichtungen (voller Rayleigh-Punkt) auf jeder Seite der Antennenachse. Die Qualität dieser M Strahlen (und anderer) kann folgendermaßen gemessen werden.
  • Laserradarsysteme und andere optische Systeme hoher Güte machen hochwertige Strahlen erforderlich, welche eine begrenzte Aberration aufweisen und maximale Energie auf das Zielobjekt richten. Unter diesen Bedingungen ist eine brauchbare Bewertungszahl für die Strahlqualität das sogenannte Strehl-Verhältnis. Wenn die Aberrationen klein sind, ist das Verhältnis der axialen Intensität I eines abweichenden Strahles zu der axialen Intensität Io eines nicht abgelenkten Strahles durch das Strehl-Verhältnis folgendermaßen auszudrücken:
  • I/Io = 1 - (2π /λ)²,
  • worin die Wurzel des quadratischen Mittelwertes der Abweichung der Wellenfront von ihrem Idealwert ist. Das Strehl-Verhältnis wird im allgemeinen als brauchbares Kriterium für die Strahlqualität über den Bereich von 0,6< I/Io< 1,0 angesehen. Ein Strehl-Verhältnis von eins entspricht einem idealen, beugungsbegrenzten Strahl. Ein Strehl-Verhältnis von 0,6 entspricht einer Wurzel des quadratischen Mittelwertes des Phasenfehlers von einem Zehntel über die Apertur eines optischen Systems hin. Wurzeln des quadratischen Mittelwertes des Phasenfehlers zwischen 1/14 und 1/20 einer Welle werden so beurteilt, daß sie effektiv dem klassisen Viertelwellen-Rayleigh-Kriterium entsprechen und einem Strehl-Verhältnis von 0,8 bzw. 0,9 entsprechen. Bei dem Rayleigh-Kriterium haben zwei benachbarte, mit gleicher Intensität strahlende Strahlenquellen den ersten dunklen Ring des Beugungsmusters eines einzelnen Punktbildes zusammenfallend mit dem Zentrum des zweiten Beugungsmusters, und werden als gerade unterscheidbar bezeichnet. Der &lambda;/14-Fall ist auch als das Marechal- Kriterium bekannt. Strahlen, die das eine oder andere Kriterium erfüllen, werden praktisch als beugungsbegrenzt angesehen.
  • Abweichungen des Phasenprofils von dem bevorzugten linearen (sägezahnartigen) Profil über die Apertur der Strahlsteuereinrichtung hin können als Aberrationen behandelt werden und die Qualität kann durch das Strehl-Verhältnis quantitativ bewertet werden. Insbesondere können für Strahlsteuerwinkel, welche nicht durch identische Periodenabschnitte adressierbar sind, mehrfache Kombinationen von Periodenabschnitten existieren, welche eine Steuerung auf denselben Winkel ergeben. Das Phasenprofil für jede dieser Kombinationen weicht aber von dem idealen Phasenprofil ab, und dies im allgemeinen um unterschiedliche Beträge. Das Strehl-Verhältnis kann dann dazu dienen, die beste Kombination oder Verteilung für einen bestimmten Steuerwinkel auszuwählen und auch quantitativ die Güte dieser Auswahl relativ zu einem Idealfall (gleicher Periodenabschnitt) abzuschätzen. Je kleiner die Abweichung von der idealen Wellenfront ist, desto kleiner sind die Aberrationen und desto größer ist der Anteil von Energie, welche in die gewünschte Winkelrichtung gesteuert wird. Energie, die nicht in die gewünschte Winkelrichtung gesteuert wird, wird durch die Phasenaberrationen in unerwünschte Seitenstrahlungskeulen gestreut; der Energiebruchteil in den Seitenstrahlungskeulen ist gerade eins minus das Strehl-Verhältnis.
  • Als Beispiel sei der Fall der Simulation eines Phasenanstiegs einer Phasenverschiebung von fünf Wellen über die Apertur einer Untergruppe von 48 Elementen angenommen. Dies erfordert eine 2&pi;-Phasenrückstellung alle 9,6 Elemente entsprechend idealen Periodenabschnitten von 9,6 Elementen, was mit einer Untergruppe von 48 Elementen nicht realisierbar ist. Genau fünf Wellen aber kann man mit Kombinationen von drei Periodenabschnitten von jeweils zehn Elektroden und zwei Periodenabschnitten von jeweils neun Elektroden erreichen. Unabhängig von der Permutationsreihenfolge, in welcher diese Periodenabschnitte angeordnet sind, bleibt der Steuerwinkel in erster Ordnung fest; die Winkel für eine Phasenverschiebung von fünf Wellen, welche für den Fall des Abstandes zwischen den Phasenschiebern von einer Welle ±5,98º sind, sind in Fig. 3 als Strahlpositionen 62 eingezeichnet. Der Betrag der Energie, welche in die gewünschte Richtung gesteuert wird, verändert sich aber mit der Ordnung der Periodenabschnitte. Der Fall der Anordnung der Periodenabschnitte [10,10,10,9,9] zeigt eine größere maximale Phasenabweichung von der idealen linearen Phasenfront als eine Ordnung [10,9,10,9,10]. Die erstgenannte Ordnung konzentriert die Phasenabweichungen und erfährt eine schlechte Bewertung bezüglich der Wurzel der mittleren Fehlerquadrate. Die letztgenannte Reihenfolge erzeugt eine Wellenfront, welche um die Ideallinie oszilliert, wodurch weniger Wert der Wurzel des mittleren Phasenfehlerquadrates angesammelt wird. Die errechneten Strehl-Verhältnisse für die beiden Fälle sind 0,95 bzw. 0,98. In diesem Beispiel sind beide gewählten Reihenfolgen im allgemeinen brauchbar. Die alternierende Ordnung besitzt jedoch nur ein Drittel der Energie der Seitenstrahlungskeulen und ist daher vorzuziehen.
  • Gemäß einer anderen Technik des Anregens der Untergruppen einer subaperturweise-adressierten Strahlsteuereinrichtung können Periodenabschnitte, welche nicht exakt ganzzahlige Vielfache der Untergruppengröße sind, ebenfalls verwendet werden, wenn auch mit einer Verschlechterung der Strahlqualität. Ein Beispiel dieses Verfahrens ist eine Treppenkurve von fünf Stufen, gefolgt von einer Stufe, welche aus der Ordnung fällt, beispielsweise mit einem wiederholten maximalen oder minimalen Stufenwert. Die Annehmbarkeit solcher Zustände hängt von der Größe der zulässigen Strahlverschlechterung ab. Dies muß von Fall zu Fall untersucht werden, wobei das Strehl-Verhältnis als Kriterium verwendet wird. Es erscheint jedoch, daß die Verwendung einer 3-Bit-Phasenquantisierung dazu geeignet ist, Seitenstrahlungskeulenpegel unter 20 dB für eine Gauss'sche Strahlillumination zumindest für Strahlsteuerwinkel aufrecht zu erhalten, welche nicht groß sind, beispielsweise unter 20º. Demgemäß können Abweichungen des Phasenanstiegs von dem Idealverlauf annehmbar sein, welche bis zu 45º betragen.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch Verwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung viele Strahlsteuerpositionen mit nur mäßig großen Untergruppen erreicht werden können. Für den betrachteten Fall einer Untergruppe mit M Phasenschiebern gibt es mindestens M brauchbare Zustände.
  • Während die Grundsätze der vorliegenden Erfindung unter besonderer Berücksichtigung der hier offenbarten Verfahren aufgezeigt worden sind, versteht es sich, daß vielerlei Abwandlungen von den angegebenen Verfahren bei der Ausführung der Erfindung vorgenommen werden können. Der Umfang der vorliegenden Erfindung soll daher nicht auf die hier offenbarten Verfahren begrenzt sein sondern soll vielmehr durch Umfang der folgenden Ansprüche bemessen sein.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetischen Strahlsteuereinrichtung mit einer Gruppe von Mitteln (30, 42, 50) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung an einer elektromagnetischen Welle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
a) Aufteilen der Gruppe in eine Anzahl von Periodenabschnitten; und
b) Anlegen von Spannungen an die Phasenschiebermittel (30, 42, 50) derart, daß eine Treppenkurve von an die Phasenschiebermittel (30, 42, 50) angelegten Spannungen für jeden Periodenabschnitt resultiert; dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Anlegens der Spannungen das Parallelanlegen von Spannungen an eine Mehrzahl identischer Untergruppen (38) umfaßt, in welche die Gruppe von Phasenschiebermitteln (30, 42, 50) unterteilt ist, wobei die Strahlsteuereinrichtung dauerhaft verbundene, parallele Adressierungsmittel (32, 34, 36) enthält, an welche die Spannungen gelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlsteuereinrichtung eine Gruppe von Mitteln (30, 42, 50) zur Erzeugung einer optischen Phasenverschiebung mit einer gemeinsamen Elektrode (42) auf einer ersten Oberfläche davon, einer Vielzahl von 5 parallelen Streifenelektroden (30) auf einer zweiten Oberfläche davon und einem elektrooptischen Phasenschiebermedium (50) zwischen der ersten und zweiten Oberfläche; ferner M Verbinder (32), von denen jeder mit S/M der Streifenelektroden gekoppelt ist, wobei der i-te Verbinder mit jeder der (i+jM)-ten Streifenelektroden (30) für alle ganzzahligen Werte von j von 0 bis (S/M)-1 gekoppelt ist; und Mittel (36, 48) enthält, um M Steuersignale einzeln zwischen den genannten M Verbindern (32) und der genannten gemeinsamen Elektrode (42) zu über- koppeln, und daß der Schritt des Parallelanlegens von Spannungen das Anlegen von M Steuersignalspannungen zwischen den M Verbindern (32) und der gemeinsamen Elektrode (42) umfaßt, wodurch örtliche Veränderungen des Brechungsindex in dem genannten Phasenschiebermedium (50) erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Untergruppe (38) in eine Anzahl von Periodenabschnitten weiter unterteilt ist, in der nicht sämtliche der Periodenabschnitte eine gleiche Anzahl von Phasenschiebermitteln (30, 42, 50) enthalten.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Treppenkurve von Spannungen, die zu den Phasenschiebermitteln (30, 42, 50) jedes Periodenabschnittes geführt werden, solcher Art ist, daß sich über den Periodenabschnitt hin ein Phasenanstieg von 2&pi; ergibt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Treppenkurve der Spannungen, welche den Phasenschiebermitteln (30, 42, 50) zugeführt werden, eine Rampe von gleichen Spannungsschritten umfaßt und daß einer der Spannungsschritte wiederholt wird.
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