DE1572672B2 - Abbildungssystem mit einer elektrooptischen prismenkette - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abbildungssystem unter Verwendung abgelenkter Lichtstrahlen, bei dem mit einer elektro-optischen Prismenkette, die aus einer Anzahl räumlich nebeneinander angeordneter, optisch hintereinander geschalteter elektrooptischer Prismen besteht, ein in die Prismenkette einfallendes paralleles Lichtstrahlenbündel in mindestens einer Dimension steuerbar abgelenkt wird.

Derartige Abbildungssysteme, die mit üblichem oder kohärentem Licht betrieben werden können, eignen sich insbesondere für steuerbare großflächige

ίο Darstellungen.

Solche Darstellungssysteme können dazu verwendet werden, Nachrichten oder andere Informationen weit voneinander entfernten Organisationsgruppen zuzuleiten, die einer zentralen Leitung unterworfen sind. Bisher wurden in derartigen Systemen vorwiegend Kathodenstrahlröhren zur visuellen Anzeige eingesetzt. Ein Nachteil der Systeme mit Kathodenstrahlröhren ist deren relativ kleine Anzeigefläche. Außerdem können derartige Systeme Farbdarstellungen nicht exakt reproduzieren. Dagegen genügen sie den Anforderungen nach hoher Ablenkgeschwindigkeit, hohem Auflösungsvermögen und genauer Anzeigesteuerung.

Um größere Anzeigeflächen zu erzielen, wurden vielerlei mechanische und andere Anzeigeverfahren vorgeschlagen. Die meisten mechanischen Systeme sind nicht in der Lage, die erforderlichen hohen Arbeitsgeschwindigkeiten zu verwirklichen. Bekannte, verwirklichte nichtmechanische Einrichtungen haben sich als teuer hinsichtlich der Anschaffung und als unhandlich im Betrieb erwiesen.

Ein nichtmechanisches System, das für Großdarstellungen verwendet werden kann und farbtüchtig ist, macht von einer elektro-optischen Prismenkette Gebrauch. Elektro-optische Prismen sind in der Fachwelt bekannt und weisen, im Querschnitt betrachtet, Dreieck-Prismen aus bestimmten Stoffen auf, die einen hindurchtretenden Lichtstrahl durch Brechung ablenken. Diese Stoffe haben zusätzlich die Eigenschaft, daß sie unter dem Einfluß eines durch Anlegen einer Spannung an entgegengesetzte Enden des Prismas erzeugten elektrischen Feldes ihren Brechungsindex proportional zur Feldstärke ändern, wodurch die Ablenkung des passierenden Lichtstrahles verändert wird. Daher läßt sich durch geeignete Steuerung des auf die elektro-optischen Prismen einwirkenden Feldes die Ablenkung des Lichtstrahles verändern. Auf diese Weise kann der austretende Lichtstrahl auf jeden einer Vielzahl von Punkten eines Anzeigefeldes gerichtet werden. Eine kennzeichnende Eigenschaft eines elektro-optischen Prismas oder einer derartigen Prismenkette liegt darin, daß ein Strahl nur längs einer Linie abgelenkt wird, so daß zu einer zweidimensionalen Lichtstrahlablenkung auf einem Anzeigefeld mehrere solcher Ketten optisch nacheinander angeordnet sein müssen. Die Ablenkebenen müssen zueinander senkrecht stehen, so daß bei koordinierter Steuerung der jeweiligen Systeme ein zweidimensionales Anzeigefeld entweder nach einem Raster oder in beliebiger Weise abgetastet oder überstrichen werden kann.

Systeme mit elektro-optischen Prismenketten umfassen eine Vielzahl elektro-optischer Prismen, die nebeneinander optisch in Serie angeordnet sind. Die C-Achsen benachbarter Prismen verlaufen parallel zueinander in abwechselnd entgegengesetzten Richtungen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. An einander gegenüberliegende Flächen der einzelnen

Prismen werden veränderbare elektrische Spannungen angelegt und dadurch elektrische Felder erzeugt, die eine Steuerung der veränderbaren Ablenkung des durchtretenden Lichtstrahles ermöglichen. Ein Nachteil der seitherigen Ablenksysteme mit elektro-optischen Prismenketten für die Praxis ist deren außerordentliche Länge, d. h., daß die für die Großdarstellung benötigte große Ablenkung und hohe Auflösung eine extrem lange Kette erfordern, die aus einer Vielzahl einzelner Prismen besteht. Unter Auflösung ist die Zahl der möglichen Leuchtpunktpositionen auf dem Anzeigefeld zu verstehen. Da jedes einzelne Prisma der Kette sehr teuer ist, ließen die Kosten derartiger Anordnungen eine Verwendung in den meisten Anwendungsfällen nicht zu. Es ist außerdem bekannt, daß der zum Betrieb einer derartigen Anordnung erforderliche Leistungsbedarf der Länge der Anordnung direkt proportional ist, so daß kräftige Leistungsquellen bei diesen bisher bekannten Prismenketten-Systemen erforderlich waren.

Es ist ferner eine Anordnung zur Lichtsteuerung bekanntgeworden, bei der in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen die Polarisation von Lichtstrahlen beeinflußt wird. Durch geeignet ausgebildete Rezeptoren wird dann das Maß der Beeinflussung festgestellt und im Sinne einer Intensitätsschwankung ausgewertet. Da bei der bekannten Anordnung eine größere Anzahl von optisch aktiven Elementen hintereinander geschaltet sein kann, ist eine Parallelisierung der hindurchtretenden Lichtstrahlen erforderlich, um die Verluste in vertretbaren Grenzen zu halten. Diesem Zweck dient eine der eigentlichen Anordnung vorgeschaltete Fokussierungsoptik. Maßnahmen zur räumlichen Ablenkung der Lichtstrahlen sind bei der bekannten Anordnung ebensowenig vorgesehen wie Maßnahmen zur Verkürzung der Baulänge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abbildungssystem der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das mit einer geringeren Anzahl und Größe der zu verwendenden Prismen auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an einem Ende der Kette ein optisches System zur Fokussierung des parallelen Lichtstrahlenbündels und weiterhin mindestens am gegenüberliegenden Ende der Prismenkette ein Reflektor, der ein aus der Kette austretendes Strahlenbündel zur nochmaligen Brechung in die Kette zurückwirft, angeordnet sind.

Auf diese Weise ist es möglich, den Lichtstrahl räumlich zu konzentrieren und ihn durch »Falten« mehrfach das System passieren zu lassen, was die Baugröße des elektro-optischen Prismenkettensystems vermindert und doch das Erreichen einer großen Ablenkung ermöglicht, wie sie für die erwähnten Anwendungsfälle erforderlich ist. Auf diese Weise werden nicht nur die Herstellungskosten, sondern auch die Betriebskosten für ein derartiges System wesentlich gesenkt, da im Betrieb zum Erreichen der gewünschten Ablenkung riur 'eine relativ geringe Leistung erforderlich ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind eine das Eingangsstrahlenbündel vor dem Eintritt in die Prismenkette in einer Richtung seiner Querschnittsebene verdichtende Optik und eine weitere nach der Reflexion am Spiegel aus dem System austretende Strahlenbündel wieder auf seinen ursprünglichen Querschnitt bringende Optik vorgesehen. Auf diese Art ist es möglich, die Abmessungen der Prismen weiter zu verringern, ohne an Information zu verlieren. Durch diese Verringerung werden sowohl infolge des geringeren Materialbedarfs die Herstellungskosten als auch infolge des geringeren Energiebedarfs die Betriebskosten weiter vermindert.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind vor der Prismenkette optisch miteinander fluchtend ein ein Eingangs-Strahlenbündel als ordentliehen Strahl geradlinig durchlassendes Prisma, eine das Strahlenbündel in mindestens einer Ebene beim Passieren in der einen Richtung verdichtende und beim Passieren in entgegengesetzter Richtung wieder dehnende Optik und eine die Polarisationsebene des Strahlenbündels um einen bestimmten Winkel drehende Einrichtung vorgesehen. Dabei weist das Prisma eine innere reflektierende Fläche auf, die das aus der Kette wieder austretende Strahlenbündel nach dessen zweitem Durchgang durch die die PoIarisationsebene verdrehende Einrichtung und durch die Optik als außerordentlichen Strahl in eine Ausgangsrichtung ablenkt. Auf diese Weise ist es möglich, mit nur einer Optik auszukommen, die doppelt genutzt wird. Außerdem läßt sich diese Anordnung wegen des Wegfalls der sonst seitlich von der Prismenkette benötigten weiteren Optik kleiner aufbauen als die zuvor beschriebenen.

Der Erfindungsgegenstand wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer üblichen elektrooptischen Prismenkette,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Prismenkettenanordnung nach der Erfindung mit zugehöriger Optik, mit der eine Strahlfaltung 1. Ordnung und Verdichtung des Strahls erzielbar ist,

F i g. 3 eine schematische Darstellung auf eine bevorzugte Ausführungsform einer eiektro-optischen Prismenkettenanordnung nach der Erfindung, die eine Optik zur Strahlverdichtung und Strahlfaltung theoretisch beliebig hoher Ordnung aufweist, und

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Anordnung nach der Erfindung, mit der in einer elektro-optischen Prismenkette eine Strahlfaltung mindestens 1. Ordnung erzielbar ist.

Es ist bekannt, daß für elektro-optische Prismenkettensysteme Kristallprismen aus bestimmten Materialien benutzt werden, die nicht nur die Eigenschaft aufweisen, einen durchgehenden Lichtstrahl zu brechen, sondern die außerdem in der Lage sind, ihren Brechungsindex zu verändern, wenn an einander entgegengesetzten Oberflächen des Prismenkristalls eine ein elektrisches Feld erzeugende Spannung angelegt wird. Die Veränderung des Brechungsindex des Prismas unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes ist kennzeichnend für ferroelektrische Kristalle. Es sind verschiedene Kristalle allgemein erhältlich, die diese beschriebene Eigenschaft aufweisen. Eines der günstigsten Materialien ist das als KDP und dessen Isomorphen bekannte Material, von dem sich herausgestellt hat, daß es eine hohe optische Qualität aufweist, und das leicht und mit geringen Kosten erhältlich ist. Im einzelnen ist KDP ein kristalliner Stoff, der genauer unter der Bezeichnung Kaliumdioxidhydrophosphat (Potassium dioxide hydrogen phosphate) bekannt ist, der aber hier mit seiner üblichen Benennung KDP bezeichnet wird. Es

versteht sich jedoch, daß gemäß der Erfindung auch andere Stoffe mit elektro-optischen Eigenschaften Verwendung finden können.

Fig. 1 zeigt eine für den Stand der Technik typische elektro-optische Prismenkette. Eine Vielzahl von Prismen 10 sind einander benachbart so angeordnet, daß ihre C-Achsen abwechselnd in die Zeichenebene hinein- und aus ihr herausweisen. Elektrische Leitungen 12 dienen zum Anlegen von Spannungen und Erzeugern von geeigneten elektrischen Feldern an entgegengesetzten Oberflächen der Prismen. Natürlich müssen die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Prismen mit einem geeigneten und üblichen elektrisch leitfähigen Material bedeckt sein, dem die Spannung zuführbar ist. Statt dessen kann auch eine bekannte andere Anordnung verwendet werden, bei der die Prismen so angeordnet sind, daß ihre C-Achsen in einer Richtung, beispielsweise in die Zeichenebene, hineinweisen. Diese Anordnung verlangt jedoch, daß jedes Prisma 10 ein unabhängiges elektrisches Feld erhält, und hat den Nachteil, daß auf beiden Seiten der Anordnung ein Störfeld auftritt.

Ein Lichtstrahl 14 bringt an der linken Grenzfläche in das System ein und wird fortlaufend bis zum Austrittspunkt an der Fläche 16 gebrochen; die maximale Ablenkung des Strahls ist durch die angegebene Austrittsrichtung eines Strahls 18 dargestellt. Die jeweilige Strahlablenkung jedes Systems ist auf einfache Weise durch Verändern der an die Prismen innerhalb des Systems angelegten elektrischen Felder steuerbar, so daß die Ablenkung des auftretenden Strahles in der Zeichnungsebene nach Wunsch einstellbar ist.

Wie schon erwähnt, sind diese Systeme wegen der Vielzahl der einzelnen Prismen, die zur Erzielung der Auflösung, wie sie bei der Anwendung in Darstellungsvorrichtungen mit großem Bildfeld gefordert wird, benötigt wird, überaus teuer. Die Vielzahl der Prismeneinheiten erfordert außerdem eine hohe Speiseleistung.

In F i g. 2 ist eine Faltung erster Ordnung des Strahles veranschaulicht. Ein Strahlenbündel 20 tritt in ein aus den Linsen 22 und 24 bestehendes optisches System ein, das das Strahlenbündel in einer Richtung verdichtet, die senkrecht zu der Ebene steht, in der das Strahlenbündel abgelenkt werden soll. So verläßt ein ziemlich dickes zylindrisches Lichtbündel 20 mit gleichförmigem Kreisquerschnitt die Linse 24 als Strahlungsbündel 26 mit rechteckigem Querschnitt, das in der Zeichenebene zur Verkleinerung seiner vertikalen Ausdehnung verdichtet wurde. Eine elektro-optische Prismenkette 28 umfaßt Prismen 30 in der bereits beschriebenen Anordnung. Benachbart zur Austrittsfläche 34 des Systems 28 ist ein Spiegelreflektor 32 angeordnet. Das Strahlenbündel 26 tritt durch die Fläche 36 in das System 28 ein, erfährt dabei eine erste Ablenkung, verläßt das System durch die Fläche 34, wird vom Spiegel 32 in das System 28 zurückgeworfen und tritt an der Fläche 36 als Strahlenbündel 40 wieder aus. Beim zweiten Passieren des Systems 28 wird das Strahlenbündel ein zweites Mal abgelenkt, so daß der Eintrittsstrahl 26 eine Gesamtablenkung erfährt, die sich aus der Summe der Ablenkungen bei jedem Durchgang zusammensetzt. Es kann davon gesprochen werden, daß das Strahlenbündel durch die elektrooptische Prismenkette »hindurchsefaltet« wird. Das austretende Strahlenbündel 40 wird von einem Spiegel 42 in ein aus Linsen 44 und 46 bestehendes optisches System geworfen, das das Strahlenbündel in der Richtung dehnt, in der es verdichtet war, so daß sich ein Ausgangs-Strahlenbündel 48 ergibt, das die gleiche Querschnittsgröße und -gestalt aufweist wie das Eingangs-Strahlenbündel 20. Es wird besonders darauf hingewiesen, daß bei einer Verdichtung des Strahlenbündels in einer Richtung senkrecht zur Ablenkebene die sich ergebende Auflösung für Anzeigezwecke nicht beeinträchtigt wird.

F i g. 3 zeigt ein Faltesystem, bei dem von einer Faltung n-ter Ordnung gesprochen werden kann. Wieder wird ein Eingangs-Strahlenbündel 50 durch optische Linsen 54 und 56 in einer Dimension verdichtet und ergibt dann das Strahlenbündel 52. Das Strahlenbündel 52 tritt durch eine Fläche 58 in die elektro-optische Prismenkette 60 ein und durchläuft sie als schmales Strahlenbündel, das auf den oberen Teil der Oberfläche eines Spiegels 62 trifft, der in der Nähe der Fläche 64 der Kette 60 angeordnet ist, Ein zweiter Spiegel 66 überdeckt einen Schnitt der Fläche 58 des Prismensystems und empfängt das vom Spiegel 62 zurückgeworfene Strahlenbündel, das er seinerseits wieder zum Spiegel 62 zurückreflektiert. Das Falten und wiederholte Hindurchschicken des Strahlenbündels durch die Kette 60 kann beliebig oft erfolgen. Ein kleiner Abschnitt 68 der Fläche 58 befindet sich unterhalb der reflektierenden Oberfläche des Spiegels 66. Das auf diesen Abschnitt auftreffende gefaltete Strahlenbündel 70 kann das System verlassen und auf eine reflektierende Oberfläche 72 fallen, die optisch mit Linsen 74 und 76 fluchtet, die das in einer Richtung verdichtete Strahlenbündel wieder dehnen und ein Ausgangs-Strahlenbündel 78 liefern» dessen Querschnittsgröße und -form denjenigen des. Eintritts-Strahlenbündels 70 gleich sind. Es ist klar,, daß eine Verwendung des Systems nach F i g. 2 dem. Konstrukteur die Möglichkeit gibt, so viel Durchgänge oder Umlenkungen des Strahles vorzusehen,, wie zur Erzielung der gewünschten Gesamtablenkung erforderlich sind.

F i g. 4 zeigt ein gegenüber der Anordnung nach: F i g. 3 etwas abgewandeltes System, das ein Gran-.

Thompson-Prisma 82 aufweist. Bei diesem System ;. läßt das Prisma parallele Eingangs-Strahlenbündel 80

, ^! als ordentlichen Strahl geradlinig passieren und an v· einer Oberfläche 84 austreten, damit es zur Redu-.

■*$j zierung seines Querschnitts Linsen 86 und 88 passiert. Im Wege des verdichteten Strahlenbündels be-, findet sich eine die Polarisationsebene drehende Einrichtung^©, die die Polarisationsebene des Lichtes um 45° dreht. Der gedrehte Lichtstrahl wird jetzt auf eine elektro-optische Prismenkette 94 gerichtet, das er zur Erzielung einer geeigneten Ablenkung passiert und an dessen Ende er durch einen Spiegel 96 reflektiert wird. Der Spiegel 96 schickt den Strahl wieder durch das System 94 zurück, worauf der Strahl erneut die die Polarisationsebene " drohende Einrichtung 90 passiert, damit seine Polarisations-.

ebene nochmals um 45° gedreht wird. Das Strahlen-· bündel wird dann durch die Linsen 88 und 85 wie-.

y der auf seinen ursprünglichen Querschnitt gebracht

*;; und dringt dann als außerordentlicher Strahl mit einer um 90° gegenüber dem ordentlichen Strahl 80 gedrehter Polarisationsebene in das Prisma 82 ein,, so daß er infolge der Eigenschaften des Prismas an der Winkelfläche 98 reflektiert wird. Danach wird

das Ausgangs-Strahlenbündel 100, das in seinen Querschnittsabmessungen dem Eingangs-Strahlenbündel 80 gleich ist, projiziert. Die Verwendung einer die Polarisationsebene drehenden Einrichtung ermöglicht es, die gewünschte Ablenkung dadurch zu erzielen, daß die Strahlenbündel die Kette 94 in entgegengesetzten Richtungen gleichzeitig durchlaufen. Es ist ersichtlich, daß eine Vorrichtung mit einer elektro-optischen Prismenkette geschaffen wurde, bei der die Zahl an einzelnen Prismen, die zur Erzielung einer hohen Ablenkung benötigt wird, wesentlich vermindert ist. Das System ergibt die für Großanzeigeeinrichtungen der zuvor erwähnten Art erforderliche Gesamtablenkung. Diese Gesamtablenkung wird ohne Verlust an Auflösung erreicht, obwohl das Strahlenbündel in einer seiner Querdimensionen verdichtet wird. Das vielmalige aufeinanderfolgende Passieren des Strahlenbündels durch die optische Ablenkeinrichtung und das darauffolgende Wiederherstellen seiner Größe ermöglicht die endgültige Projektion auf die zweckentsprechend angeordnete und verbesserte Anzeigefläche. Die dargestellten Einrichtungen sind, verglichen mit bekannten derartigen Einrichtungen, wirtschaftlich und vorteilhaft sowohl bezüglich des Einrichtungsaufwandes als auch bezüglich des Leistungsverbrauchs beim Betrieb.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Abbildungssystem unter Verwendung abgelenkter Lichtstrahlen, bei dem mit einer elektrooptischen Prismenkette, die aus einer Anzahl räumlich nebeneinander angeordneter, optisch hintereinander geschalteter elektro-optischer Prismen besteht, ein in die Prismenkette einfallendes paralleles Lichtstrahlenbündel in mindestens einer Dimension steuerbar abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende der Kette ein optisches System (22, 24) zur Fokussierung des parallelen Lichtstrahlenbündels (20) und weiterhin mindestens am gegenüberliegenden Ende der Prismenkette (28) ein Reflektor (32), der ein aus der Kette austretendes Strahlenbündel zur nochmaligen Brechung in die Kette zurückwirft, angeordnet sind.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Eingangssystem (22, 24) den Querschnitt des Eingangs-Strahlenbündels (20) vor dem Fokussieren in einer Richtung seiner Querschnittsebene verringert und ein weiteres optisches System (44, 46) angeordnet ist, das das nach der Reflexion aus dem System austretende Strahlenbündel (40) wieder auf den ursprünglichen Querschnitt bringt.

3. Abbildungssystem nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden der Prismenkette (60) das Strahlenbündel wiederholt durch die Anordnung leitende Reflektoren (62 und 66) angeordnet sind.

4. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des Eingangssystems und die Längsachse der Prismenkette einen stumpfen Winkel miteinander bilden.

5. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein das aus dem System austretende Strahlenbündel auf ein weiteres optisches System (74, 76) richtender Reflektor (72) vorgesehen ist.

6. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die nebeneinander angeordneten Prismen (30) der Kette (28) berühren.

7. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Prismenkette (94) optisch miteinander fluchtend ein ein Eingangs-Strahlenbündel (80) als ordentlicher Strahl axial geradlinig durchlassendes Prisma (82), eine das Strahlenbündel in mindestens einer Ebene beim Passieren in der einen Richtung verdichtende und beim Passieren in entgegengesetzter Richtung dehnende Optik (86, 88) und eine die Polarisationsebene des Strahlenbündels (92) um einen bestimmten Winkel drehende Einrichtung (90) vorgesehen sind und daß das Prisma eine innere reflektierende Fläche (98) aufweist, die das aus der Kette wieder austretende Strahlenbündel nach dessen zweitem Durchgang durch die die Polarisationsebene verdrehende Einrichtung und durch die Optik in eine Ausgangsrichtung ablenkt.