CH497019A

CH497019A - Vorrichtung zum Transformieren eines Lichtstrahls

Info

Publication number: CH497019A
Application number: CH1356368A
Authority: CH
Inventors: Clifford Hudson Kenneth
Original assignee: Rca Corp
Priority date: 1967-10-11
Filing date: 1968-09-11
Publication date: 1970-09-30
Also published as: DE1773769B2; FR1577568A; DE1773769C3; SE333257B; GB1179800A; US3465347A; DE1773769A1

Description

Vorrichtung zum Transformieren eines Lichtstrahls
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trans formieren eines Lichtstrahls, dessen Intensität sich über seinen Querschnitt gemäss einer Gauss'schen Vertei lungskurve ändert, in einen Lichtstrahl, dessen Intensität über seinen ganzen Querschnitt gleich ist, mit Mitteln zur Vergrösserung der Querschnittsfläche des Licht strahles. Mitteln zur Kollimation eines ausgewählten
Teils des vergrösserten Lichtstrahls, optischen Abbil dungsmitteln zum Bündeln des kollimierten Teils des
Lichtstrahls zu einem Lichtstrahl von relativ hoher Energiedichte, und eine Lichtablenkanordnung zum periodischen Ablenken dieses Strahles.

Um ein Maximum von aufgezeichneter Information je Volumeneinheit des Aufzeichnungsmediums zu errei chen ist die Anwendung von Aufzeichnungs-Techniken mit hoher Informationsdichte erforderlich. Diese Tech niken erfordern einen Abtaststrahl von geringem Quer schnitt mit hoher Energiedichte, welcher durch das aufzuzeichnende Signal moduliert werden kann. Ein Aufzeichnungs-Lichtstrahl von 5 Mikron oder weniger
Durchmesser kann mit Hilfe einer kohärenten Strah lungsquelle und eines optischen Systems erzeugt werden, dessen Brechungsindex begrenzt ist. Mit Hilfe des Laserstrahls ist es möglich geworden, einen kohärenten
Lichtstrahl von hoher Intensität zu erzeugen, welcher moduliert und auf eine photo-empfindliche Filmemul sion fokussiert werden kann, um eine permanente Aufzeichnung von Signalen zu erzielen.

Das optische
System zum Fokussieren des Aufzeichnungs-Lichtstrahls hat die folgenden Funktionen auszuführen:
1) Sammeln und Fokussieren eines ausreichenden
Anteils der von der modulierten Strahlungsquelle ausge henden Strahlung, um das Aufzeichnungsmedium wäh rend der für jeden Aufzeichnungs-Bit zur Verfügung stehenden Aufnahmezeit zu belichten;
2) Produzieren eines Bildes auf dem Aufzeichnungs medium, welches einen Lichtpunkt-Durchmesser von 5
Mikron oder weniger hat;
3) Vorsehen eines ausreichenden Arbeitsabstandes und Zwischenraumes für die Betätigung eines Abtastspiegels; und
4) Erzeugen einer einheitlichen Energiedichte im Lichtstrahl zum Abtasten des Aufzeichnungsmediums.

Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung kann ein modulierter Lichtstrahl in einen für Aufzeichnungen geeigneten Lichtstrahl von relativ hoher Energiedichte umgewandelt und auf, beispielsweise einen photographischen Film umgelenkt werden, wobei die Intensität des auf den Film fallenden Lichtstrahls über dessen ganze Querschnittsfläche gleichmässig verteilt ist.

Die Verwendung eines Aufzeichnungs-Lichtstrahls von sowohl hoher Intensität, als auch kleinem Durchmesser ist insbesondere deswegen wünschenswert, weil damit eine hohe Speicherungsdichte von aufzuzeichnenden Signalen und eine erhöhte Aufzeichnungs-Oe- schwindigkeit erreicht werden kann. Bei der Erzeugung eines Aufzeichnungs-Lichtstrahls von sowohl hoher Intensität als auch kleinem Durchmesser tritt normalerweise beim Durchgang durch das optische System ein grosser Lichtenergieverlust von etwa 90 O/o auf. Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es möglich, einen Aufzeichnungs-Lichtstrahl zur gleichmässigen Filmbelichtung zu erzeugen, wobei ein wesentlich höherer Durchtritts-Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema der Grundkomponenten eines mit einem Laserstrahl arbeitenden Aufzeichnungsgerätes,
Fig. 2 das Schema eines bekannten, mit einem Laserstrahl arbeitenden Aufzeichnungsgerätes,
Fig. 3 eine Gauss'sche Verteilungskurve, bei welcher die Licht-Intensität über der Breite eines Laserstrahls aufgetragen ist,
Fig. 4 ein Schema eines mit einem Laserstrahl arbeitenden Aufzeichnungsgerätes gemäss der Erfindung und
Fig. 5 einen Querschnitt des in Fig. 4 gezeigten Filters dargestellt in einem Koordinatensystem.

Für den Betrieb eines Aufzeichnungsgerätes mit einem wandernden Abtaststrahl sind folgende Voraussetzungen zu erfüllen: a) es muss eine Haupt-Aufzeichnungs-Strahlenquelle vorhanden sein, b) die Energie dieser Strahlenquelle ist durch die aufzuzeichnenden Signale zu modulieren, c) die modulierte Strahlenergie ist zu einem Aufzeichnungsstrahl von relativ hoher Energiedichte zu bündeln, und d) das Aufzeichnungsmedium ist durch diesen Auf zeichnungs -Lichtstrahl abzutasten.

Als Haupt-Aufzeichnungsstrahl hat sich der Laserstrahl als wirkungsvoll gezeigt, da dieser ein ausserordentlich heller Strahl ist, welcher sich für Breitband Intensitätsmodulation eignet. Seine Energie kann gebündelt und in einen Aufzeichnungs-Lichtstrahl umgeformt werden, wobei infolge geringer Streutendenz ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet ist. Die Intensitäts-Modulation des Laserstrahls erfolgt unter Anwendung von elektro-optischen Techniken. Die Breitband-Modulations-Techniken, welche sich elektro-optischer Kristalle bedienen, bewirken eine Intensitäts-Modulation des Laserstrahls durch das Anlegen einer Signal-Spannung.

Hierbei wird der Aufzeichnungs-Lichtstrahl auf optischem Wege gebildet. Allgemein wird der intensitätsmodulierte Laser-Strahl so vergrössert, dass dessen Durchmesser demjenigen der Öffnung einer Bildlinse entspricht. Die Vergrösserung des Laser-Strahls ist deswegen notwendig, weil die Öffnung der Bildlinse in der Regel viel grösser als der Durchmesser des Laser Strahls ist. Einen dünnen Aufzeichnungs-Lichtstrahl erhält man, wenn eine Linse mit grosser Bildöffnung ergänzt wird durch einen Ablenkungsspiegel mit grosser wirksamer Öffnung. Die Abtastung des Aufzeichnungsfilms erfolgt sowohl durch die Bewegung des Aufzeichnungs-Lichtstrahls über den Film (Abtastung), als auch durch den Filmtransport durch die Abtast-Station. In einem Breitband-Laser-Strahl-Aufzeichnungsgerät wird zur Abtastung des Aufzeichnungsmediums eine rotierende Spiegel-Einrichtung verwendet.

Bei der Reproduktion der aufgezeichneten Signale wird der entwickelte Film durch einen unmodulierten Abtast-Lichtstrahl aus kohärentem Licht abgetastet. Die Ablesestrahl-Energie wird beim Durchgang durch den Film moduliert. Wenn diese Energie einer photoempfindlichen Vorrichtung zugeführt wird, wird sie in ein dem aufgezeichneten Signal entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt.

Der in Fig. 1 dargestellte Laser 100 erzeugt einen kohärenten Lichtstrahl 102 von hoher Intensität, welcher einem Intensitäts-Modulator 110 zugeführt ist. Der Modulator 110 wird gleichzeitig mit aufzuzeichnenden Signalen 112 gespeist. Die Eingabesignale 112 bewirken, dass das Laser-Licht vom Modulator 110, entsprechend den Charakteristiken der Eingabesignale 112 intensitätsmoduliert wird. Das modulierte Licht 114 wird zu einem Aufzeichnungs-Lichtstrahl von hoher Energiedichte mit Hilfe der Lichtbündelungsoptik 120 fokussiert. Der Aufzeichnungs-Lichtstrahl wird dann von einer Abtasteinrichtung 130 auf den Aufzeichnungsfilm 140 reflektiert, welcher durch die Filmtransporteinrichtung 150 weiter transportiert wird. Die Abtasteinrichtung 130 besteht normalerweise aus einem rotierenden polygonalen Spiegel.

In Fig. 2 ist ein bekanntes optisches System zur Verwendung in einer Laser-Aufzeichnungseinrichtung dargestellt. Dieses System ist in zwei Teile, nämlich in die Abbildungsoptik und die Strahl-Vergrösserungsoptik unterteilt.

Die Abbildungsoptik in Fig. 2 wird durch die Abbildungslinse 240 und den polygonalen Abtastspiegel 250 gebildet. Der modulierte aus der Abbildungslinse 240 austretende Strahl 242 wird hierbei auf das Aufzeichnungsmedium fokussiert, welches in Fig. 2 durch die Fokal-Oberfläche 260 dargestellt ist. Zwischen der Abbildungslinse 240 und dem Aufzeichnungsmedium 260 ist ein mechanischer polygonaler Abtastspiegel 250 angeordnet, und falls erforderlich, kann ein nicht gezeigter Planspiegel zwischen der Abbildungslinse 240 und dem Abtastspiegel 260 angeordnet werden, womit das Bild abgelenkt wird und der Abtastspiegel 250 und das Aufzeichnungsmedium 260 in einer günstigen Lage angeordnet werden können.

Die Strahlvergrösserungs-Optik in Fig. 2 wird von einer ersten Linse 220, welche den Durchmesser des modulierten hier hindurchtretenden Laser-Strahls 215 vergrössert, und einer Kollimationslinse 230, welche den vergrösserten Strahl 225 empfängt und ihn für die Übertragung auf die Abbildungslinse 240 kollimiert, gebildet.

Der aus einer Gas-Laserquelle 200 austretende Laser-Strahl hat im allgemeinen einen Durchmesser von 0,57 bis 5,7 mm, was jeweils von dem verwendeten Lasertyp abhängig ist. Die Verteilung der Strahlintensität über den Strahlquerschnitt entspricht im allgemeinen der Gauss'schen Verteilungskurve, die in Fig. 3 gezeigt ist, wobei als Strahldurchmesser ein Bereich definiert ist, an dessen Grenzen die Intensität noch den Wert 1/e2 des Scheitelwertes beträgt.

Damit die Abbildungslinse 240 ein Airysches Scheibchen bildet, um einen Aufzeichnungs-Lichtstrahl von hoher Energiedichte zu erzielen, muss die Eintrittsfläche der Linse gleichmässig von monochromatischem Licht angestrahlt werden. Wenn der von der Strahlvergrösserungsoptik 220, 230 gelieferte kollimierte Strahl 235 einen kleineren Durchmesser als die Eintrittsöffnung der Abbildungslinse 240 aufweist, resultiert für das Bild eine der Gauss'schen Verteilung entsprechende Lichtverteilung anstatt einer solchen, die durch das Airy-Scheibchen erzielbar ist.

Bei dem bekannten in Fig. 2 dargestellten System kann die Strahlungsintensität eines durch die Optik 220, 230 vergrösserten Strahls 235 im Öffnungsquerschnitt der Abbildungslinse 240 dargestellt werden durch die Formel: p2/2aR2
1) I(p) = IOe (Gauss) hierbei ist
Io = Strahlungsintensität im Zentrum des Strahls p = radialer Abstand vom Strahlzentrum a'= Standardabweichung des vergrösserten Laser
Strahls.

Eine Methode um eine relativ gleichförmige Strahlungsverteilung zu erreichen ist die, a' in der Strahl Vergrösserungseinrichtung ausreichend gross zu wählen.

Wenn beispielsweise a' = pol/5 gewählt wird, wobei pO der Radius der Linse ist, ist 1(p) am Rand der Linse nur um 10 O/o geringer als im Bereich des Strahlzentrums.

Die die Linse durchquerende Laserleistung wird dargestellt durch:
2) Laserleistung = Pt (1 - -p2/2a'2.), worin Pt die Leistung am Ausgang der Laserquelle ist.

Wenn a' = pool/5 gesetzt wird, folgt daraus eine Abnahme von 90 O/o der durch die Linse hindurchgetretenen Laserenergie.

Aus dem vorstehenden wird ersichtlich, dass, um eine relativ gleichförmige Strahlungsverteilung zu erzielen, bei welcher die Strahlungsintensität am Rand der Linse nur um 10 Olo kleiner ist als im Zentrum der Linse, ein Verlust von 90 O/o der auf die Linse auffallenden Laserenergie auftritt, wie dies durch die ungenutzten Bereiche 227 des vergrösserten Strahls in Fig. 2 dargestellt ist. Um dieser Resultat zu erzielen, ist bereits eine Strahlvergrösserungsoptik relativ grossen Ausmasses erforderlich, um den notwendigen Wert von a' zu erzielen.

Das in Fig. 4 gezeigte optische System unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten insofern wesentlich, als hier ein Filter 470 zwischen der Kollimationslinse 430 und der Abbildungslinse 440 angeordnet ist. Ferner ist hier die Charakteristik der Strahlvergrösserungsoptik von der in Fig. 2 wesentlich verschieden.

In der in Fig. 4 gezeigten Strahlvergrösserungsoptik sind die Linsencharakteristiken so gewählt, dass ein wesentlich grösserer Anteil der gesamten Laser-Strahlung 425 durch die Linse 430 kollimiert und hindurchgeleitet wird. Daraus folgt, dass ein relativ hoher Anteil der Strahlung nicht-einheitlicher Intensität durch die Austrittsöffnung der Kollimationslinse 430 austritt, was in Fig. 3 graphisch dargestellt ist. Der kollimierte Strahl 435 nicht-einheitlicher Intensität durchläuft dann den Filter 470, dessen Wirkungsweise so ist, dass einzelne Teile des Strahles von ihm derart absorbiert werden, dass die den Filter 470 verlassende und auf die Linse 440 fallende Strahlung eine einheitliche Intensitätsverteilung aufweist und daher für das Passieren eines Airy-Scheibchens geeignet ist.

Mit dem im folgenden zu beschreibenden Filter wird erreicht, dass der austretende Lichtstrahl eine einheitliche Intensitätsverteilung bei einem bessern Laser Durchlasswirkungsgrad besitzt. Ausserdem ermöglicht er die Bildung eines Aufzeichnungs-Lichtstrahles mit einheitlicher Energiedichte für das Abtasten des Aufzeichnungsmediums. Darüberhinaus lässt sich die erforderliche optische Vergrösserung erheblich niedriger halten, wodurch der Aufbau der Strahlvergrösserungsoptik vereinfacht wird.

Wenn, wie in Fig. 4 dargestellt ist, ein Filter 470 zwischen der Kollimationslinse 430 und der Abbildungslinse 440 angeordnet wird, dann wird die Durchstrahlung IL der Abbildungslinse 400:
3) IL = I(p) T(p) worin T(p) = Durchlässigkeitscharakteristik des Filters als Funktion von p.

Wird der Filter 470 so ausgelegt, dass (p;R po2)/2a'2
4) T(p) = e so folgt, dass -po/2a'2
5) IL = IOe ein konstanter Wert an jedem Punkt der Oberfläche der Abbildungslinse 440 ist. Hierbei ist pO eine von der Linsenöffnung und a' eine von der Strahlvergrösserung anhängige Dimension.

Der optimale Wert für a', bei welchem die maximale Strahlenergie an die Öffnung der Abbildungslinse 440 abgegeben werden kann, ist gleich pro/1/2. Dies ermöglicht, dass im Vergleich zu der in Fig. 2 dargestellten bekannten Anordnung eine nahezu 3,7 ml grössere Laserstrahlenergie der Linse 440 zugeführt werden kann.

Für ein optisches Absorbierungs-Medium von der beschriebenen Art ist die Durchlässigkeit gegeben durch das Beer'sche Gesetz, nämlich:
6) T = e-Bt worin
B= Dämpfungs-Konstante t = Dicke.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist die Dicke (t) des Filters 570 eine Funktion des radialen Abstandes (p), gemessen von der optischen Achse des Filters. Unter Verwendung der vorgenannten Beziehung und durch Auflösung nach t ergibt sich: 1 t 1
7) B B 2a'2B
Diese Gleichung (7) ist eine Parabelgleichung. Diese ist in rechtwinkligen Koordinaten in Fig. 5 dargestellt, wobei die Dicke (t) als Funktion des radialen Abstandes (p) gemessen von der optischen Achse aus aufgetragen ist.

Daraus wird ersichtlich, dass für den Fall, dass p = 0 ist, t = 1/B wird; wenn p = po d. h. a'1/2 ist, was dem optimalen Zustand entspricht, dann wird t = 0.

Um diese Verhältnisse zu erreichen, soll die Durchlässigkeit im Zentrum des Filters (d. h. p = o) ungefähr 37 O!o der Durchlässigkeit am Rand des Filters (d. h.

p = pO = a' 1/2) sein, wo die Durchlässigkeit theoretisch 100 O/o ist. Infolge der Reflexe kann in der Praxis eine 100 0/oige Durchlässigkeit jedoch nie erzielt werden.

Diese Reflexe können jedoch durch die Verwendung von nichtreflektierenden Überzügen verringert werden.

Das mit 572 bezeichnete absorbierende Material und/oder das zur Anpassung des Brechungsindexes dienende Material 574 kann flüssig oder fest sein. Durch die Verwendung eines absorbierenden Materials 572 mit einem relativ hohen Dämpfungs-Koeffizienten (B) werden zwei Vorteile erzielt; erstens kann die von der Dicke abhängige Absorptionsfähigkeit des Anpassungsmaterials 574 vernachlässigt werden und zweitens kann die Parabel annähernd sphärisch gemacht werden, da die Mittendicke des absorbierenden Materials 572 wesentlich geringer als der maximale Radius (pO) wird. In der Praxis kann eine sphärische Fläche leichter als eine parabolische Fläche hergestellt werden.

Wenn ein das absorbierende Material 572 enthaltendes Deckmaterial 576 verwendet wird, kann dessen Brechungs-Index irgendeinen Wert haben, da das Material dann im allgemeinen die Form einer planparallelen Scheibe hat.

In der Praxis wird es zweckmässig sein, den Überzug 576 aus dem gleichen optischen Material wie das Index Anpassungsmaterial 574 herzustellen.

In der folgenden Darstellung sind die absorbierenden Materialien und deren Charakteristiken dargestellt:
Material B (mm-1) t (mm)
Barium-titanat 2,8 0,36 (Einkristall)
Glas (gekörnt) 1,0 1,0
Neutrales Grauglas (Schott NG-11) 0,313 3,2
Es kann ein Filter mit gleichmässiger Dicke verwendet werden, worin die Dämpfungskonstante des absorbierenden Materials als Funktion von p verändert wird.

Es können auch Kombinationen von Filter-Dicken und Dämpfungskonstanten vorgesehen werden.

Claims

PATENTANSPRUCH

Vorrichtung zum Transformieren eines Lichtstrahls, dessen Intensität sich über seinen Querschnitt gemäss einer Gauss'schen Verteilungskurve ändert, in einen Lichtstrahl, dessen Intensität über seinen ganzen Querschnitt gleich ist, mit Mitteln zur Vergrösserung der Querschnittsfläche des Lichtstrahles, Mitteln zur Kollimation eines ausgewählten Teils des vergrösserten Lichtstrahls, optischen Abbildungsmitteln zum Bündeln des kollimierten Teils des Lichtstrahls zu einem Lichtstrahl von relativ hoher Energiedichte, und eine Lichtablenkanordnung zum periodischen Ablenken dieses Strahles gekennzeichnet durch ein zwischen den Kollimationsmitteln und den optischen Abbildungsmitteln angeordnetes optisches Filter, dessen Durchlässigkeit über seiner Querschnittsfläche in Funktion des radialen Abstandes von seiner optischen Achse variiert,

wobei das Filter Teile des kollimierten Strahls absorbiert, so dass der kollimierte Teil des vergrösserten Lichtstrahls den Filter mit einer über die ganze Querschnittsfläche gleichen Intensität verlässt.

UNTERANSPRUCH Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässigkeit des optischen Filters von Punkt zu Punkt seiner Querschnittsfläche, gemäss der Beziehung p2-p02/2a'2 T=e variiert, wobei e die Basis des natürlichen Lagrithmus, p der radiale Abstand eines bestimmten Punktes von der optischen Achse des Filters, puder Filterradius, und a' die Standardabweichung der Gauss'schen Funk tion des kollimierten Teils des vergrösserten Licht strahls ist.