DE3879593T2 - Optische bildumkehrsysteme. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Bildrotoren, die insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für die Verwendung in optischen Mehrkanal-Aufzeichnungssystemen geeignet sind.
• Optische Mehrkanal-Bandaufzeichnungssysteme, die polarisierende Leseoptiken verwenden, sind in unserer veröffentlichten europäischen Patentanmeldung 0 263 656 und in unserer veröffentlichten britischen Patentanmeldung 8 720 924 offenbart. In solchen Systemen ist im Weg von auftreffenden und reflektierten, kreispolarisierten Lichtstrahlen ein optischer Bildrotor angeordnet. Eine bevorzugte Ausführungsform eines in der oben genannten europäischen Patentanmeldung offenbarten Rotors ist eine modifizierte Form eines Vee-Block- oder Abbe-Rotors, der nur drei metallisierte, reflektierende Flächen und keine inneren, total reflektierenden Flächen aufweist, damit die Reflexionen innerhalb des Rotors eine verhältnismäßig kleine polarisierende Wirkung auf das durch den Rotor verlaufende Licht haben. Es sind zwar viele Rotoren optisch für die Verwendung bei kreispolarisiertem Licht geeignet, jedoch haben sie allgemein den Nachteil, daß sie in bezug auf ihre Drehachse asymmetrisch sind und dadurch bei Drehung fit hoher Geschwindigkeit unter dynamischer, mechanischer Unwucht leiden. Ferner läßt sich zeigen, daß bei guter optischer Wirkungsweise der kleinste umschriebene Durchmesser eines Abbe- oder Vee-Block-Rotors urn seine Drehachse wenigstens die doppelte Breite seiner optischen Eingangsöffung haben sollte, und ein so großer umschriebener Durchmesser kann nachteilig sein, wenn ein kompaktes optisches System erforderlich ist.
• JP 62-11234A beschreibt einen Bildrotor, der einem hindurchverlaufenden gedrehten Bild eine vorgegebene Phasenverzögerung verleiht.
• Im Gegensatz dazu ist ein Pechan-Rotor symmetrisch zu seiner Drehachse und kann zufriedenstellend mit einem beträchtlich kleineren minimalen, umschriebenen Durchmesser in bezug auf seine optische Eingangsöffnung arbeiten. Ein Pechan-Rotor ist daher mechanisch gegenüber einem Vee-Block- oder Abbe-Rotor zu bevorzugen. Ein üblicher Pechan-Rotor hat jedoch im optischen Weg fünf reflektierende Flächen, von denen drei total innen reflektieren (TIR), und die größere Zahl von Reflexionen würde unerwünschte Polarisationswirkungen bei einem auftreffenden kreispolarisierten Lichtstrahl einführen, was bei Verwendung in einem optischen Aufzeichnungssystem, das eine polarisierende Wiedergabeoptik enthält, Anlaß zu einer unerwünschten zyklischen Amplitudenmodulation gibt.
• Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten optischen Bildrotor zu schaffen, der insbesondere zur Verwendung bei polarisierenden optischen Systemen geeignet ist.
• Gremäß der vorliegenden Erfindung ist eine drehbare optische Bildrotorvorrichtung mit einer Eingangsfläche zum Empfang eines optischen Bildes und einer Ausgangsfläche, aus der das gedrehte Bild austreten kann, vorgesehen, wobei das gedrehte Bild eine vorgegebene Phasenverzögerungswirkung in bezug auf das empfangene optische Bild hat, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von reflektierenden Flächen zur Reflexion von das Bild formendem Licht, das in die Vorrichtung über die Eingangsfläche eintritt, wobei wenigstens eine der reflektierenden Flächen ein geschichtetes, polarisierendes Material trägt, um dadurch die vorgegebene Phasenverzögerungswirkung zu erzeugen.
• Vorzugsweise umfassen die polarisierenden Mittel eine Vielzahl von Schichten aus optisch durchlässigen dünnen Filmen, z. B. aus Siliziumoxid oder Magnesiumfluorid.
• Die vorgegebene Phasenverzögerunswirkung kann in der Erzeugung einer gesamten Phasenverzögerung von 180º zwischen den Polarisationskomponenten p und s von einem in den Rotor eintretenden und dem aus diesem austretenden Lichtstrahl bestehen; andere vorgegebene Polarisationswirkungen können in der Erzeugung einer Verzögerung von 0º, 90º oder 270º bestehen.
• Natürlich ist die vorliegende Erfindung auch in optischen Systemen einsetzbar und mit Vorteil verwendbar, die prima facie nichts mit einer polarisierenden Optik zu tun haben. Wenn somit ein Laser von Natur aus polarisierendes Licht erzeugt, leidet jedes optische System, das einen Laser verwendet und einen Rotor erfordert, unter Polarisationswirkungen, wenn nicht die vorliegende Erfindung angewendet wird.
• Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:
• Fig. 1 eine Seitenansicht eines optischen Pechan- Rotors, und
• Fig. 2 eine graphische Darstellung von Reflexionsververmögen und Phasenverzögerungseigenschaften eines optischen Pechan-Rotors gemäß der Erfindung.
• Gemäß Fig. 1 dreht sich ein Pechan-Rotor symmetrisch um die Achse XX' und wäre normalerweise in oder an einer motorgetriebenen hohlen Achse (nicht dargestellt) befestigt, wie in unseren oben genannten Patentanmeldungen beschrieben. Der Lichtweg- Rotor hat die Geometrie eines üblichen Pechan-Rotors, wie beispielsweise beschrieben in dem veröffentlichten Aufsatz "Image Rotation Devices - A Comparative Survey" von D. W. Swift, Optics and Laser Technology, August 1972, Seiten 175 - 188. Der Rotor besteht aus zwei Prismen ABCEF und HGD, die unter Belassung eines kleinen Luftspalts zwischen aneinandergrenzenden diagonalen, ebenen Flächen FE und HG starr aneinander befestigt sind. Die Lichteingangs- und -ausgangsflächen AB bzw. DC haben einen quadratischen Querschnitt und verlaufen senkrecht zur Drehachse XX', und eine kreisförmige Eingangsöffnung (nicht dargestellt) würde einen Durchmesser haben, der gleich oder kleiner als die Länge der Seite AB ist. Die Wege eines axialen Lichtstrahls QQ' und eines parallelen, nicht axialen Lichtstrahls PP' erfahren beide eine totale innere Reflexion (TIR) an den Flächen FE, DG und HG. Die ebene obere Fläche HD und die ebene untere Fläche BC sind beispielsweise mittels verdampftem Silber metallisiert, um im Weg jedes Lichtstrahls zwei Spiegelreflexionen zu erzeugen. Die Gesamtzahl der Reflexionen für jeden Strahl ist fünf, und da dies eine ungerade Zahl ist, dreht sich beispielsweise ein Bild P'Q' einer ortfesten Objektquelle PQ um die Achse XX' mit der doppelten Drehgeschwindigkeit des Rotors. Die Geometrie der Prismen ist so bemessen, daß die Lichtstrahlen den Luftspalt zwischen den zusammenpassenden parallelen Flächen FE und HG bei senkrechtem Auftreffen im Bereich I durchqueren. Die zusammenpassenden Flächen FE und GH sind unter 45º zur Achse XX' geneigt, während die metallisierten Flächen HD und BC zur Achse unter 22,5º geneigt sind. Die Prismen bestehen aus einem optischen Glas, das einen typischen Brechungsindex in der Größenordnung von 1,76 hat, für den der kritische Auftreffwinkel für totale innere Brechung etwa 35º beträgt. Licht trifft auf die drei Flächen FE, GH und DG unter 45º auf und wird total innen bei einem Auftreffwinkel von 45º reflektiert, während Licht, das auf die beiden metallisierten Flächen HD und BC mit 22,5º auftrifft, spiegelreflektiert wird.
• Es ist bekannt, daß die totale innere Reflexion von Licht normalerweise von merklichen Polarisationsänderungen und Phasenverzögerungen begleitet wird, die den Polarisationszustand eines auftreffenden Lichtstrahls stören, und daß eine Reflexion durch einen metallisierten Spiegel eine ähnliche Wirkung hervorruft, aber in einem geringeren Ausmaß. Die gesamte polarisierende Wirkung der fünf Reflexionen ist bei einem üblichen Pechan-Rotor wahrscheinlich unannehmbar hoch, wenn ein Betrieb mit polarisiertem Licht erforderlich ist.
• Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird auf einer oder mehreren der optischen, reflektierenden Flächen eines Rotors in kontrollierter Weise eine Vielfachschicht aus optisch durchlässigen dünnen Filmen aufgebracht, so daß eine gesamte Phasenverzögerung von etwa 180º zwischen den Polarisationskomponenten p und s des durch den Rotor übertragenen Lichts auftritt.
• Eine Verzögerung von 180º wird statt einer Verzögerung von 0º gewählt, damit der Rotor sich optisch wie ein Lambda- Halbe-Blättchen verhält. Es ist bekannt, daß ein Lambda-Halbe- Blättchen bei seiner Drehung die Rotationsebene von auftreffendem polarisiertem Licht dreht, und wenn ein optischer Rotor eine gesamte Phasenverzögerung von 180º hat, dreht sich jede Polarisation des auftreffenden Lichts mit dem Bild, anstatt stationär zu bleiben, was bei einer Verzögerung von 0º der Fall wäre.
• Der Lichtweg, der die diagonal geneigten Flächen FE und HG im Bereich I kreuzt, trifft senkrecht auf, und es ist erwünscht, daß diese beiden Flächen mit Schichten versehen werden, die bei senkrechtem Auftreffen antireflektierend sind, aber den Zwang beibehalten, daß die gesamte, bei allen fünf Reflexionen auftretende Phasenverzögerung etwa 180º ist.
• Bei einem Pechan-Prisma können die diesem anhaftenden Polarisationswirkungen dadurch korrigiert werden, daß auf jeder der inneren, total reflektierenden Flächen FE, GH und DE drei weitgehend identische Mehrfachschichten angebracht werden, aber keine Beschichtungen auf den beiden metallisierten Flächen. Die gewünschte Korrektur von durch die fünf reflektierenden Flächen eingeführten Polarisationswirkungen in Verbindung mit einer gesamten Phasenverzdgerung von 180º und antireflektierenden Eigenschaften bei Auftreffen auf die Flächen FE und HG kann dadurch erreicht werden, daß auf jeder der drei Glasflächen FE, HG und DG eine Mehrfachschicht angebracht wird, wobei die Schichten etwa folgende Eigenschaften haben: Schicht Dicke der Schicht Brechungsindex der Schicht
• worin Ä die Wellenlänge des durch die Schicht verlaufenden Lichts ist und die Zahlen für den Brechungsindex der Schichten für einen Brechungsindex 1.76 von Glas gelten. Die angegebenen Werte sorgen für eine Schicht mit optimierter Ansprechcharakteristik bei gestrecktem Winkel, denn es werden die geforderten optischen Kriterien nicht nur für den nominellen Winkel, sondern für einen vergleichsweise breiten Toleranzbereich (in der Größenordnung von ein paar Graden) erfüllt. Natürlich können durch geeignete Änderung der angegebenen Werte leicht Abweichungen in der Ansprechcharakteristik bei gestrecktem Winkel erzielt werden, wobei sichergestellt ist, daß die Erfordernisse bei dem nominellen Winkel noch erfüllt bleiben. Es gibt eine Abwägung zwischen der Optimierung für einen Wellenlängenbereich oder einen Winkelbereich, das Maß der akzeptablen Abweichung des Phasengangs, die Durchläsigkeit des Systems und die Gesamtdicke des Mehrschichtfilms. Zusätzlich zur Änderung der Brechungsindices können auf Kosten der antireflektierenden Eigenschaften Nicht-Lambda- Viertel-Schichten verwendet werden.
• Wenn verschiedene Schichten verwendet werden, ist es möglich, für jede Fläche ein Ansprechen bei gestreckten Winkeln zu erreichen, so daß Winkel-Fehlausrichtungen des Systems zugelassen werden. Ferner kann die größere Zahl von Variablen die Ausführung einer mehr erwünschten Schicht erlauben.
• Fig. 2 zeigt typische Beispiele des gesamten Reflexionsvermögens und der gesamten Phasenverzögerung für ein Pechan- Prisma mit solchen Schichten, aufgetragen über dem Auftreffwinkel eines ankommenden Lichtstrahls auf der Eingangsfläche AB. Es ist ersichtlich, daß bei senkrechtem Auftreffen die Phasenverzögerung etwa 180º beträgt und das Gesamtreflexionsvermögen sehr gering ist.
• Es sei bemerkt, daß die Erfindung strikt für monochromatisches Licht mit der Wellenlänge λ gilt, und daß bei Änderung der Wellenlänge die Filmdicke theoretisch proportional geändert werden sollte. In der Praxis sind jedoch Änderungen bis hinauf zur Größenordnung von 10 % der Filmdicke im allgemeinen tolerierbar, ohne unannehmbare Abweichungen von dem idealen Reflexionsvermögen und dem idealen Phasengang zu bewirken. Als solcher könnte ein Pechan-Rotor bei Verwendung in einem optischen Dualwellenlängen-Mehrstrahl-Aufzeichnungssystem mit polarisierender Leseoptik zufriedenstellend sein, sofern die Wellenlänge von Schreib- und Lesestrahl nicht mehr als in der Größenordnung von 10 % abweicht.
• Die Mehrfachschichten können durch Verfahren wie Verdampfen, Kathodenzerstäubung aufgebracht werden, und Techniken zur Kontrolle ihrer Dicke sind bekannt. Die Filme können aus allen Werkstoffen gewählt werden, die Brechungsindices, wie oben genannt, haben. Für Wellenlängen, die allgemein bei optischen Aufzeichnungsgeräten verwendet werden und in der Größenordnung von 700 bis 800 nm liegen, können alle Filme aus Siliziumoxid der Formel SiOx sein, wobei x im Bereich von 1 bis 2 liegt. Jeder der fünf Filme kann seinerseits aus einer SiO-Quelle verdampft werden, und die erforderlichen Brechungsindices können durch Einführen unterschiedlicher Sauerstoffmengen in die Verdampfungskammer gewonnen werden.
• Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die obige Ausführungsform der Erfindung nicht eine einzigartige Lösung ist und andere Varianten hinsichtlich Filmdicke, Schichtzahl und Brechungsindex geeignet optimiert werden können, um insgesamt eine Lambda-Halbe-Phasenverzögerung zu erhalten. Andere Lösungen können von geeigneten Fachleuten theoretisch abgeleitet oder experimentell optimiert werden. Die Schichten brauchen z. B. nicht notwendigerweise auf jeder der inneren total reflektierenden Flächen identisch zu sein, und bei anderen Ausführungsformen können eine oder beide metallisierten Flächen oder die Eingangs- und Ausgangsfläche mit geeignet optimierten Schichten versehen werden.
• Durch geeignete Wahl der Schichtwerkstoffe und der Dicke können andere Verzögerungswerte erzielt werden.
• Ferner ist die Erfindung nicht auf Pechan-Rotoren beschränkt. Andere optische Rotoren, z. B. vom Dove-, Schmitt-, Vee-Block- oder Abbe-Typ können in gleicher Weise modifiziert werden, z. B. durch Anbringung geeignet optimierter Mehrschichtfilme auf einer oder mehreren reflektierenden Flächen, um eine Gesamt-Phasenverzögerung von 180º zu erhalten, vorzugsweise in Verbindung mit geeigneten antireflektierenden Eigenschaften.
• Es ist für den Fachmann ferner ersichtlich, daß die Anwendung der Erfindung nicht auf optische Aufzeichnungsvorrichtungen beschränkt ist. Die Erfindung kann in allen optischen Systemen verwendet werden, bei denen es erforderlich ist, ein Bild einer ortsfesten Objektquelle um eine Achse zu drehen, und bei denen es für jeden im auftreffenden Lichtstahl vorhandenen Polarisierungszustand von Vorteil ist, mit dem Bild gedreht zu werden.
• Die hier verwendeten Begriffe "optisch" und "Licht" sollen nicht auf sichtbare Strahlung begrenzt sein, sondern sie sollen auch andere Formen elektromagnetischer Strahlung umfassen, z. B. Infrarotstrahlung, die - soweit die Erfindung betroffen ist - genauso gehandhabt werden kann wie sichtbare Strahlung.

Claims (11)

1. Drehbare optische Bildrotationsvorrichtung mit einer Eingangsfläche (AB) zum Empfang eines optischen Bildes (PQ) und einer Ausgangsfläche (DC), aus der ein gedrehtes Bild (Q'P') austreten kann, wobei das gedrehte Bild (Q'P') eine vorgegebene Phasenverzögerungswirkung in Bezug auf das empfangene optische Bild (PQ) hat, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von reflektierenden Flächen (FE, HG, DG) zur Reflexion von das Bild formendem Licht, das in die Vorrichtung über die Eingangsfläche (AB) eintritt, wobei wenigstens eine der reflektierenden Flächen (FE, HG, DG) ein geschichtetes polarisierendes Material trägt, um dadurch die vorgegebene Phasenverzögerung zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das geschichtete polarisierende Material eine Vielzahl von Schichten aus optisch durchlässigen dünnen Filmen umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Filme aus Siliziumoxid bestehen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergenden Ansprüche, bei der die vorgegebene phasenverzögernde Wirkung aus einer Phasenverzögerung von insgesamt etwa 180º zwischen den Polarisationskomponenten "p" und "s" des Lichts besteht.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Eingangsfläche (AB) und die Ausgangsfläche (DC) im wesentlichen senkrecht zu einer Achse (XX') angeordnet sind, um die die Vorrichtung drehbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine totale innere Reflexion des Lichts an der Fläche oder an wenigstens einer der Flächen (FE, HG, DG) erfolgt, die das geschichtete polarisierende Material tragen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Pechan-Rotor umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Rotor ein erstes (ABCEF) und ein zweites Prisma (HDG) umfaßt, wobei die Prismen durch einen Luftspalt getrennt und so ausgebildet sind, daß durch die Eingangsfläche eintretendes Licht insgesamt fünf Reflexionen erfährt, bevor es aus der Ausgangsfläche (DC) austritt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die erste (FE), die dritte (DG) und die fünfte (HG) Reflexion innerhalb der Vorrichtung totale innere Reflexionen und die zweite (BC) und die vierte (HD) Reflexion innerhalb der Vorrichtung Spiegelreflexionen sind, und bei der zwischen der zweiten und dritten Reflexion ein Durchgang durch den Spalt zwischen den Prismen bei weitgehend senkrechtem Auftreffen auf die beiden einen Abstand voneinander aufweisenden Prismenflächen auftritt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der alle drei Flächen (FE, DG, HG) der Prismen, an denen eine totale innere Reflexion auftritt, entsprechende Schichten aus polarisierendem Material tragen.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die nominelle, zu drehende Lichtwellenlänge = λ ist, der Brechungsindex = 1,76 ist und die oder jede geschichtetes polarisierendes Material tragende Oberfläche mit fünf Schichten aus folgendem Material versehen ist: Schicht Nr. Dicke Brechungsindex