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Dokumentenidentifikation DE3609657C2 29.04.1993
Titel Prismenoptik und optische Informationsverarbeitungseinrichtung mit einer Prismenoptik
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Nakamura, Shigeru, Hachioji, JP;
Takahashi, Sadao, Nagaoka, JP;
Watanabe, Masateru, Kanagawa, JP;
Arimoto, Akira, Musashimurayama, JP
Vertreter Beetz sen., R., Dipl.-Ing.; Beetz, R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Timpe, W., Dr.-Ing.; Siegfried, J., Dipl.-Ing.; Schmitt-Fumian, W., Prof. Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 21.03.1986
DE-Aktenzeichen 3609657
Offenlegungstag 02.10.1986
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.04.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.04.1993
IPC-Hauptklasse G02B 5/04
IPC-Nebenklasse G11B 7/135   G02B 27/00   G02B 26/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Prismenoptik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine optische Informationsverarbeitungseinrichtung, in der eine erfindungsgemäße Prismenoptik verwendet wird. Eine derartige Prismenoptik ist aus dem Lehrbuch "Mirrors, Prisms and Lenses", James Southall, The Macmillan Company, New York 1950, S. 487-493 bekannt. Dort ist eine Prismenoptik beschrieben, bei der zwei Einzelprismen mit einer ihrer Flächen aneinandergelegt sind. Die Anordnung soll die unterschiedlichen Werte der Brechzahlen hinsichtlich der einfallenden Wellenlänge kompensieren bzw. minimieren. Es handelt sich dabei insbesondere um eine zusammengesetzte Prismenoptik, die dazu geeignet ist, die Form eines Lichtstrahls mit zweidimensionaler Ausdehnung zu ändern.

Als Optik zur Änderung der Querschnittsform eines Lichtstrahls werden bisher zwei Arten von optischen Systemen verwendet, und zwar eine Optik, in der zwei Linsen (Zylinderlinsen) mit Brennpunkt im Unendlichen angeordnet sind, wobei die Vergrößerung der Optik in Abhängigkeit von der Brennweite der Linsen eingestellt ist, und eine Optik, bei der ein Dreieckprisma verwendet wird und die Differenz, die zwischen dem Einfallswinkel und dem Austrittswinkel des Lichtstrahls infolge der Brechung des Prismas besteht, zur Änderung der Form des Lichtstrahls genutzt wird. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung der letztgenannten Art von Optik.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt die Brechung eines Lichtstrahls durch ein Dreieckprisma, wobei ein Lichtstrahl auf eine Fläche eines Dreieckprismas in einer zu dieser Fläche schrägen Richtung auftrifft. Wenn gemäß der Figur der Einfallswinkel und der Austrittswinkel an der Grenzfläche zwischen den Medien Luft und Prisma mit R&sub1; bzw. R&sub2; bezeichnet werden, gilt gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz die folgende Beziehung:

sin R&sub1; = n · sin R&sub2; (1)

wobei n die Brechzahl des das Dreieckprisma bildenden Mediums bezeichnet.

Änderungen des Durchmessers des Lichtstrahls infolge der Brechung sind gegeben durch

D&sub2;/D&sub1; = cos R&sub2;/cos R&sub1; (2)

wobei D&sub1; und D&sub2; die Durchmesser des einfallenden Strahls bzw. des austretenden Strahls bezeichnen. Durch Anwendung der vorgenannten Beziehung kann die Änderung der Form des Lichtstrahls realisiert werden. An der zur schrägen Strahleintritts-Prismenfläche entgegengesetzten Strahlaustritts-Prismenfläche trifft der Lichtstrahl senkrecht zu dieser anderen Prismenfläche auf bzw. verläßt diese senkrecht dazu, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, so daß das an der schrägen Fläche erzeugte Verhältnis des Strahldurchmessers sich an der anderen Fläche nicht ändert (hinsichtlich Einzelheiten vgl. US-PS 43 33 173).

Die vorgenannten Beziehungen bleiben unverändert, wenn die Wellenlänge des Lichtstrahls konstant bleibt. Wenn sich jedoch die Wellenlänge ändert, erfährt die Brechzahl des das Dreieckprisma bildenden Mediums Änderungen, die zu einer entsprechenden Änderung im Austrittswinkel R&sub2; des Lichtstrahls führen, was wiederum einen starken Einfluß auf Instrumente hat, die in Verbindung mit dieser Optik verwendet werden; dies stellt einen erheblichen Nachteil dar. Die Änderung der Wellenlänge des Lichtstrahls resultiert aus verschiedenen Einflüssen, z. B. Schwankungen der Wellenlänge des von einer Lichtquelle, z. B. einer Halbleiter-Lasereinheit, emittierten Lichts, Änderungen der Wellenlänge des emittierten Lichts im Lauf der Zeit, Änderungen der Emissionsleistung, Änderungen der Umgebungstemperatur u. dgl. Es gibt zwei Arten von Änderungen der Brechzahl infolge von Temperaturänderungen, d. h. Änderungen der Brechzahl aufgrund von Änderungen der Wellenlänge infolge von Temperaturänderungen des Halbleiterlasers (Streuung in der Wellenlänge) und Änderungen der Brechzahl infolge von Temperaturänderungen des Dreieckprismas selbst.

Aus dem Glaskatalog der Jenaer Glaswerke Schott & Gen., "Optisches Glas", S. 5-13, ist bekannt, daß sich die Brechzahlen von Gläsern in Abhängigkeit von deren Temperatur ändern können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Prismenoptik abzugeben, die die Auswirkungen von Schwankungen der Wellenlänge und der Temperatur um einen Arbeitspunkt herum auf den Strahlengang minimiert. Ferner soll eine Informationsverarbeitungseinrichtung geschaffen werden, bei der die Auswirkungen von Schwankungen der Wellenlänge und der Temperatur auf die Geometrie des die Information schreibenden Strahlenbündels minimiert werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Prismenoptik mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der abhängige Anspruch ist auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gerichtet. Ferner wird die Aufgabe durch eine Informationsverarbeitungseinrichtung gemäß A 3 gelöst.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Funktionsweise einer bekannten Optik mit Dreieckprisma;

Fig. 2 ein Beispiel des zusammengesetzten Prismas nach der Erfindung;

Fig. 3 und Fig. 4 Blockdiagramme, die Beispiele der optischen Informationsverarbeitungseinrichtung unter Verwendung des zusammengesetzten Prismas zeigen; und

Fig. 5 eine Ausführungsform des zusammengesetzten Prismas nach der Erfindung.

Nachstehend werden anschließend an eine grundsätzliche Erläuterung einige Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben.

Fig. 2 dient der grundsätzlichen Erläuterung, wobei ein zusammengesetztes Prisma 2 aus einem ersten Prisma 2A aus einem ersten Werkstoff mit der Brechzahl n&sub1; und einem zweiten Prisma 2B aus einem zweiten Werkstoff mit der Brechzahl n&sub2; besteht, die an einer Fläche M miteinander haftend verbunden sind.

In der folgenden Erläuterung wird angenommen, daß ein in Luft sich fortpflanzender Lichtstrahl auf das zusammengesetzte Prisma 2 unter einem Einfallswinkel R&sub1; auftrifft und aus dem zusammengesetzten Prisma in einer Richtung austritt, die zu der Austrittsfläche senkrecht steht.

Zuerst soll der Fall beschrieben werden, daß sich die Wellenlänge ändert. Damit der austretende Lichtstrahl das zusammengesetzte Prisma senkrecht zu der Austrittsfläche verläßt, muß dafür gesorgt sein, daß der in der Figur mit α&sub2; bezeichnete Winkel sich nicht ändert, und zwar unabhängig von Änderungen der Wellenlänge des Lichtstrahls.

Aus dem Snelliusschen Brechungsgesetz gelten folgende Ausdrücke:

sin R&sub1; = n&sub1; sin R&sub2; (1)

n&sub1; sin α&sub1; = n&sub2; sin α&sub2; (2)

und

R&sub2; + α&sub1; = C (Konstante) (3)

Wenn die durch eine Änderung der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls hervorgerufenen Änderungen der Brechzahlen n&sub1;, n&sub2;, der Winkel α&sub1;, α&sub2;, R&sub2; usw. mit Δn&sub1;, Δn&sub2;, Δα&sub1;, Δα&sub2; etc. bezeichnet werden (wobei angenommen ist, daß der Einfallswinkel R&sub1; konstant ist), wird die Änderung Δn&sub1; wie folgt aus der Gleichung (1) bestimmt:



Außerdem kann aus der Gleichung (2) der folgende Ausdruck abgeleitet werden:

Δn&sub1; sin α&sub1;+n&sub1; cos α&sub1; Δα&sub1;-Δn&sub2; sin α&sub2;=n&sub2; · cos α&sub2; Δα&sub2; (5)

Da es erforderlich ist, daß Δα&sub2;=0 bei jeder Änderung der Wellenlänge, muß die Gleichung (5) die folgende Bedingung erfüllen:

Δn&sub1; sin α&sub1;+n&sub1; cos α&sub1; Δα&sub1;-Δn&sub2; sin α&sub2;=0 (6)

Ferner resultiert eine Differenzierung beider Seiten der Gleichung (3) in

ΔR&sub2; = -Δα&sub1; (7)

Somit wird aus den Gleichungen (2) und (6) der folgende Ausdruck



abgeleitet.

Durch Substitution der durch die Gleichung (7) wiedergegebenen Beziehung in Gleichung (8) und durch Umschreiben erhält man die folgende Beziehung:



Durch Substitution der durch die Gleichung (4) wiedergegebenen Beziehung in Gleichung (9) und Eliminierung von ΔR&sub2; wird folgende Gleichung erhalten:



Dieser Ausdruck kann wiederum wie folgt umgeschrieben werden:



Die vorstehenden Gleichungen definieren die Bedingung, unter der der Strahlaustrittswinkel sich ungeachtet von Änderungen der Wellenlänge des Lichtstrahls nicht ändert.

Das Medium, das die Brechzahl und das spezifische Lichtbrechungsvermögen entsprechend der vorstehenden Bedingung hat, ist aus den genannten Gründen für den Einsatz verfügbar.

Wenn man z. B. annimmt, daß R&sub2;=α&sub1;, und unter Berücksichtigung von n&sub1; ≙n&sub2;, so gilt die folgende Beziehung:

2 Δn&sub1; ≙ Δn&sub2;.

Auf der Basis von Daten von handelsüblichem Glas optischer Güte (Hersteller: Ohara Optical Glass Manufacturing Co., Ltd.) kann der Wert von n&sub1;/n&sub2; aus dem nachstehend definierten Bereich gewählt werden:



Es ist somit ersichtlich, daß die Optik, die die durch die Gleichung (11) gegebene Bedingung erfüllt, praktisch realisierbar ist.

Nun sei der Fall erläutert, daß sich die Temperatur des Dreieckprismas ändert. Wenn Δn&sub1; und Δn&sub2; in der Gleichung (11) durch Brechzahländerungen ΔnT1 bzw. ΔnT2 infolge der Temperaturänderungen ersetzt werden, bezeichnet die Gleichung (11) in dieser Form eine Bedingung, unter der sich der Austrittswinkel nicht mit Temperaturänderungen ändert. Da die Gleichung (11) wie folgt umgeschrieben werden kann:



kann die Bedingung, unter der sich der Austrittswinkel weder bei Wellenlängenänderungen des Lichtstrahls noch bei Temperaturänderungen des Dreieckprismas ändert, ausgedrückt werden durch:



Damit sich also der Austrittswinkel weder bei Wellenlängenänderungen des Lichtstrahls noch bei Temperaturänderungen des Dreieckprismas ändert, müssen Werkstoffe gewählt werden, bei denen das Verhältnis zwischen ihren Änderungen (ihrer Streuung) der Brechzahl infolge von Wellenlängenänderungen gleich demjenigen zwischen ihren Brechzahländerungen infolge von Temperaturänderungen ist.

In diesem Fall wird bei einem zusammengesetzten Prisma 2, das wie vorstehend erläutert aufgebaut ist, infolge der Verwendung von zwei Prismen 2A und 2B die Anzahl von reflektierenden Flächen erhöht, und die Reflexionsverluste werden größer. Um diese Reflexionsverluste möglichst klein zu halten, genügt es, zwei Werkstoffe für die beiden Prismen derart zu wählen, daß n&sub1;=n&sub2; bei der verwendeten Wellenlänge (der zentralen Wellenlänge) gilt.

Es ist ersichtlich, daß die vorstehend beschriebene Optik in gleicher Weise funktioniert, wenn die Einfalls- und die Austrittsrichtung umgekehrt werden.

Nachstehend wird ein Beispiel erläutert, wobei die Optik in einer optischen Informationsverarbeitungseinrichtung angewandt wird.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm und zeigt eine programmierbare Bildplatteneinrichtung als Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind vorgesehen eine Halbleiter-Lasereinheit 11, eine Linse 12, ein zusammengesetztes Prisma 13, das der wesentliche Teil dieser Ausführungsform und entsprechend Fig. 2 aufgebaut ist, ein Strahlteiler 14, Linsen 15 und 17, eine Bildplatte 16 und ein Lichtdetektor 18.

Die Arbeitsweise der Bildplatteneinrichtung dieser Ausführungsform wird nachstehend erläutert.

Von der Halbleiter-Lasereinheit 11 emittiertes Laserlicht wird von der Linse 12 in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt, das durch das Prisma (das zusammengesetzte Prisma) 13 gelenkt wird, um in diesem eine gewünschte Querschnittsform des Strahlenbündels zu erhalten. Dieses Prisma weist das Merkmal auf, daß sich der Winkel des das Prisma verlassenden Lichtstrahls weder bei Wellenlängenschwankungen des Laserlichts noch bei Temperaturschwankungen des Prismas ändert, wie bereits erläutert wurde. Anschließend geht der das Prisma 13 verlassende Lichtstrahl durch den Strahlteiler 14 und die Linse 15 und wird auf die Bildplatte 16 projiziert. Information von der Bildplatte 16 wird somit vom Lichtdetektor 18 empfangen. Da diese Arbeitsweise jedoch derjenigen einer bekannten Bildplatteneinrichtung gleicht, wird sie nicht im einzelnen erläutert.

Es sei z. B. folgendes angenommen: Von den beiden das Prisma 13 (vgl. Fig. 5) bildenden Prismen besteht das erste aus La SK01 (Hersteller: Ohara Optical Glass Manufacturing Co., Ltd.) (n&sub1;=1,74358 bei λ=830 nm); das zweite besteht aus SF11 (gleicher Hersteller) (n&sub2;=1,76307 bei derselben Wellenlänge), γ=32,14°; α&sub2;=41,62°; und R&sub1;=65,92°, R&sub2;=31,19° und α&sub1;=42,57°. In diesem Fall betragen die Brechzahländerungen Δnλ&sub1; bzw. Δng&sub2;, wenn sich die Wellenlänge von 800 nm auf 860 nm ändert, -0,00185 bzw. -0,00313. Bei einer Änderung der Temperatur von 0°C auf 50°C betragen ferner die Brechzahländerungen ΔnT1 bzw. ΔnT2 0,000225 bzw. 0,000380. Bei Anwendung dieser Werte können die folgenden Beziehungen erhalten werden:

Δnλ&sub2;/Δnλ&sub1; = 1,69

ΔnT2/ΔnT2 = 1,69 und (n&sub2;/n&sub1;) · (tan R&sub2;+tan α&sub1;)/tan α&sub1; = 1,68,

so daß die Gleichung (13) erfüllt ist.

Wenn sich also die Wellenlänge um 10 nm ändert, ändert sich der Austrittswinkel um 0,0005°, und wenn die Temperatur sich um 50°C ändert, ändert sich dieser Winkel um 0,0001°, was um mehr als eine Größenordnung kleiner als die mit bekannten Vorrichtungen erzielbaren entsprechenden Werte ist. Ferner wird der Durchmesser des Lichtstrahls in der Richtung, entlang der er sich ändert, verdoppelt. Wenn somit das einfallende Licht ein Laserstrahl ist, dessen Verhältnis von Nebenachse zu Hauptachse 1 : 2 ist, ist das gleiche Verhältnis für den austretenden Strahl 2 : 2, d. h. der Querschnitt des austretenden Strahls ist einem echten Kreis angenähert.

Fig. 4 zeigt einen Laserdrucker, der eine weitere Ausführungsform darstellt, bei der die beschriebene Prismenoptik eingesetzt werden kann. Dabei entsprechen die Komponenten 11-13 denjenigen von Fig. 3; ferner sind ein Polygonspiegel 21, eine FR-Linse 22 und eine lichtempfindliche Trommel 23 vorgesehen.

Bei dieser Ausführungsform wird von der Halbleiter-Lasereinheit 11 emittiertes Laserlicht durch die Linse 12 in einen parallelen Strahl umgeformt, der die lichtempfindliche Trommel 23 durch den Polygonspiegel 21 und die FR-Linse 22 abtastet, nachdem er zum Formen durch das Prisma 13 geschickt wurde. In diesem Fall ergab sich beim Stand der Technik das Problem, daß Verzerrungen in Mustern und Buchstaben auftraten, die auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Trommel 23 aufgezeichnet waren, und zwar infolge von Schwankungen des Laserlichts von der Halbleiter-Lasereinheit und infolge von Temperaturschwankungen in der Einrichtung. Dieses Problem wird durch Anwendung des Prismas 13 gelöst.

Da, wie vorstehend erläutert, das die Optik bildende Prisma aus zwei Arten von Prismen gebildet ist, deren Werkstoffe die vorstehend beschriebenen Brechzahländerungen infolge der Streuung der Brechzahl und infolge von Temperaturänderungen aufweisen, kann der signifikante Effekt erzielt werden, daß eine Prismenoptik realisierbar ist, bei der sich die geometrischen optischen Eigenschaften unabhängig von Schwankungen der Wellenlänge des Lichtstrahls und der Temperatur nicht ändern. Wenn ein solches Prisma in einer optischen Informationsverarbeitungseinrichtung angewandt wird, kann ferner der wesentliche Vorteil erreicht werden, daß eine Informationseinrichtung realisierbaar ist, die weder von einer erheblichen Schwankung der Wellenlänge der Lichtquelle noch von Temperaturschwankungen innerhalb der Einrichtung beeinflußt wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Prismenoptik zum Ändern des Querschnitts eines Lichtbündels in einer zu dessen Richtung senkrechten Ebene mittels Brechung mit wenigstens zwei im Strahlenweg des Lichtbündels aufeinanderfolgenden Prismen (2A, 2B), die so angeordnet sind und deren Material so gewählt ist, daß die für verschiedene Wellenlänge unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Einzelprismen (2A, 2B) kompensiert werden dadurch gekennzeichnet, daß

    die Brechungseigenschaften der aneinander anliegenden Prismen (2A und 2B) an einem festgelegten Arbeitspunkt in Bezug auf die Temperatur T der Prismenanordnung und die Wellenlänge λ des einfallenden Lichtes hinsichtlich der Brechzahländerungen Δnλ&sub1; bzw. Δnλ&sub2; in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes und ΔnT1 bzw. ΔnT2 in Abhängigkeit von der Temperatur den beiden nachstehenden Bedingungen



    genügen, wobei n&sub1; bzw. n&sub2; die Brechzahlen des ersten bzw. zweiten Prismas am Arbeitspunkt sind, und R&sub2; den Brechwinkel an der Lichteintrittsfläche des ersten Prismas (2A) und α&sub1; den Lichteinfallswinkel an der Grenzfläche zwischen den beiden Prismen (2A und 2B) bezeichnen,

    und daß entweder die Lichteintrittsfläche des ersten Prismas (2A) senkrecht zur Richtung des eintretenden Lichtbündels oder die Lichtaustrittsfläche des letzten Prismas (2B) senkrecht zur Richtung des austretenden Lichtbündels verläuft.
  2. 2. Prismenoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden das zusammengesetzte Prisma (2) bildenden Prismen (2A, 2B) aus Werkstoffen bestehen, die so gewählt sind, daß sie bei einer bestimmten Wellenlänge die gleiche Brechzahl (n&sub1;=n&sub2;) aufweisen.
  3. 3. Optische Informationsverarbeitungseinrichtung, mit
    1. - wenigstens einer Lichtquelle (11) zum Schreiben einer Information,
    2. - einer Optik (12), die den Lichtstrahl der Lichtquelle (11) in ein paralleles Strahlenbündel umformt,
    3. - einer Prismenoptik (13), die den Querschnitt des parallelen Strahlenbündels ändert, und
    4. - einer Optik (17, 22), die den parallelen Lichtstrahl konvergent macht,
  4. dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenoptik (13) eine Prismenoptik nach Anspruch 1 oder 2 ist.






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