DE69915648T2

DE69915648T2 - Strahlablenker und Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE69915648T2
Application number: DE69915648T
Authority: DE
Inventors: M. Tin AYE; D. Gajendra SAVANT
Original assignee: Physical Optics Corp
Current assignee: Physical Optics Corp
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: CA2341424C; EP1105771B1; KR20010072956A; CN1320223A; DE69915648D1; US6169594B1; EP1105771A4; JP2002523802A; EP1105771A1; WO2000011515A1; CN1124512C; KR100654004B1; CA2341424A1; TW432223B

Description

Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Strahlablenker zum Ablenken eines Strahls elektromagnetischer Energie, und insbesondere (1) auf einen Strahlablenker, der mindestens ein passendes Paar von Feldern aus Mikroprismen aufweist, die selektiv den Winkel eines Lichtstrahls zur Verwendung beim Abtasten von Lichtstrahlen von einem und auf ein Objekt, beabstandet von dem Feld, ändern kann, (2) auf ein Verfahren zum Herstellen des Strahlablenkers und (3) auf eine Abtasteinrichtung, die den Strahlablenker verwendet, der für ein eindimensionales, zweidimensionales oder dreidimensionales Abtasten, wie beispielsweise zur Verwendung in einem Laserradar oder anderen Abtast- und Bilderzeugungsanwendungen, geeignet ist.
Hintergrund der Erfindung
In der Vergangenheit ist es bekannt gewesen, ein Mikroprismenfeld zu verwenden, um selektiv den Winkel eines Lichtstrahls, der durch das Feld hindurchführt, zu ändern. Ein solches Feld ist in dem Artikel mit dem Titel Free-space optical interconnections with liquid-christal microprism arrays, Katsuhiko Hirabayashi, Tsuyoshi Yamamoto, und Masayasu Yamaguchi, Vol. 34, No. 14, Applied Optics, 10. Mai 1995, offenbart. Allerdings ist ein Nachteil des offenbarten Felds derjenige, dass es nicht erwünschte, große Mikroprismen verwendet, was eine Einschränkung dafür darstellt, wie schnell das Feld auf eine Änderung des Winkels des Lichts, das durch dieses hindurchführt, reagieren kann. Weiterhin ist ein Nachteil derjenige, dass der offenbarte Strahl, der durch das Feld hindurchführt, einen Durchmesser geringer als die Größe eines seiner Mikroprismen haben muss, was ungefähr 100 Mikron beträgt, was dadurch dessen Verwendung für eine verzerrungsfreie Abtastung über einen großen Flächenbereich begrenzt. Weiterhin ist dadurch, dass das Feld einen Strahl mit großem Durchmesser verwendet, das Feld zur Verwendung in einer Bild- oder Objektabtasteinrichtung ungeeignet, da dessen Auflösung extrem schlecht sein würde. Als Folge ist das offenbarte Feld für kommerzielle Anwendungen, wie beispielsweise optische Verbindungen und optische Schalter, die offenbart sind, nicht praktikabel, da diese Anwendungen viel höhere Umschaltgeschwindigkeiten erfordern würden als das Feld liefern würde. Aufgrund der relativ langsamen Umschaltgeschwindigkeit des Felds und der schlechten Auflösung, die von der ziemlich großen Größe resultiert, d. h. große Teilung, Mikroprisma, das verwendet wird, kann das Feld nicht für Abtastanwendungen verwendet werden, (1) wo ein Objekt, entfernt von dem Feld, mit dem Strahl abgetastet werden soll, oder (2) wo Licht von einem Objekt oder einer Quelle, entfernt von dem Feld, abgetastet werden soll.
In der Vergangenheit sind Abtasteinrichtungen aus Spiegeln und Motoren, die schnell und präzise die Spiegel bewegen oder vibrieren können, um einen Lichtstrahl, emittiert von einer Lichtquelle, zu positionieren, hergestellt worden. Allerdings besitzen solche mechanischen Systeme eine Abtastgeschwindigkeit, die geringer ist, als dies erwünscht ist, da die Trägheit jedes sich bewegenden Objekts die Abtastung verlangsamt.
In neuerer Zeit hat das Erfordernis, schnell einen Strahl aus Lichtenergie abzutasten und zu lenken, typischerweise von einem Laser, zu der Entwicklung von optischen Systemen mit geringer Dreh- oder translatorischer Trägheit aufgrund davon, dass eine Bewegung der mechanischen Bauelemente auf einem Minimum gehalten wird, geführt. Beispiele dieser Entwicklungen umfassen deformierbare Spiegelfelder, basierend auf einer integrierten Schaltungstechnologie, ein Mikrolinsenfeld-Konzept mit binären Optiken, basierend auf der mechanischen Bewegung eines komplementären Paars aus Mikrolinsenfeldern, eine Flüssigkristallabtasteinrichtung basierend auf einer Beugung unter Verwendung von Flüssigkristallphasengittern, und eine Abtasteinrichtung mit kegelförmigem Strahl und einem Kollektor basierend auf einer holographischen Platte.
Leider haben alle diese Entwicklungen Nachteile und Grenzen. Zum Beispiel ist die Abtasteinrichtung mit deformierbarem Spiegel kostspielig herzustellen, ist auf kleine Aperturen und geringe Abtastgeschwindigkeiten begrenzt, und, was vielleicht am gravierendsten ist, kann sie nur eine einzelne Dimension abtasten. Das Mikrolinsenfeld erfordert eine spezielle asphärische Struktur und eine nicht-planare Bewegung, um eine akzeptierbare Strahlkollimationsqualität zu erreichen. Zusätzlich erfordert das Mikrolinsenfeld komplexe Hochspannungs- und baugroße, piezoelektrische, mechanische Antriebe für eine nicht planare Bewegung, und ist auf relativ langsame Abtastgeschwindigkeiten im Kilohertz-Bereich beschränkt. Die diftraktiven Flüssigkristall-Strahlablenkeinrichtungen sind, bestenfalls, experimentell, und besitzen Diffraktionswinkel geringer als optimale Diftraktions- bzw. Beugungseffektivitäten, und sind stark mit Rauschen behaftet. Schließlich sind sich drehende, holographische, optische Elemente oder Platten auch in unerwünschter Weise auf eine eindimensionale, konische bzw. kegelförmige Abtastung beschränkt, da der Strahl nur entlang der Oberfläche eines Kegels emittiert wird, was deshalb eine Drehung der holographischen, optischen Elemente in einer Ebene erfordert.
Dasjenige, was benötigt wird, ist eine Vorrichtung, die effektiv die Richtung eines Lichts ändern kann, ohne dass sich die Vorrichtung bewegen muss. Dasjenige, das weiterhin benötigt wird, ist ein Mikroprismenfeld, das zum Ändern der Richtung eines Lichtstrahls von einem Objekt, das einen großen Durchmesser besitzt, ohne Verzerrung des Strahls, ausreichend schnell, geeignet ist, um für kommerzielle Anwendungen geeignet zu sein. Dasjenige, was auch benötigt wird, ist eine Strahlablenkeinrichtung, die in Abtasteinrichtungen verwendet werden kann, die Licht von einer Lichtquelle ebenso wie Licht, empfangen von einem Objekt, abtastet. Dasjenige, was weiterhin benötigt wird, ist ein Mikroprismenfeld, geeignet, zur Verwendung in einer Abtasteinrichtung, unter Verwendung einer Lichtquelle, die ein Objekt, oder eine Reihe von Objekten, angeordnet entfernt von dem Feld, abtastet. Dasjenige, was zusätzlich benötigt wird, ist ein Mikroprismenfeld, das in einer Abtasteinrichtung verwendet werden kann, geeignet für ein zweidimensionales Abtasten oder ein dreidimensionales Abtasten. Dasjenige, was darüber hinaus benötigt wird, ist eine Abtasteinrichtung, die keine sich bewegenden Teile besitzt und die dazu verwendet werden kann, ein Gelände, Bilder, Retinas, ebenso wie irgendein anderes Objekt oder Zeichen, das geeignet ist, um abgetastet zu werden, abzutasten.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Strahlablenker, aufgebaut aus einem Paar von passenden Prismenfeldern, wobei eines der Felder ein Material aufweist, das einen Brechungsindex besitzt, der im Wesentlichen konstant verbleibt, und das andere der Felder ein Material aufweist, das einen Brechungsindex besitzt, der selektiv variiert werden kann. Während eines Betriebs wird ein Feld, das entweder ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld ist, selektiv an das Feld aus dem Material mit variablem Brechungsindex angelegt, um den Winkel eines Strahls, der abgelenkt ist, zu kontrollieren, wenn er durch den Strahlablenker hindurchführt. Die Feldintensität, der Fluss oder die Flussdichte werden durch selektives Anlegen einer Spannung an Anschlüsse des Strahlablenkers kontrolliert. Die Flusslinien des Felds erstrecken sich vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Länge des Prismas mit va riablem Brechungsindex. Der Strahlablenker bewegt sich vorzugsweise nicht während des Betriebs.
Jedes Feld weist ein Prisma auf, das eine Höhe, eine Breite und eine Länge länger als entweder dessen Höhe oder Breite besitzt. Jedes Prisma besitzt bevorzugt einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt, der ein rechtwinkliges Dreieck umfassen kann. Jedes Prisma besitzt eine Fläche, angeordnet zu dem ankommenden Strahl hin, eine Fläche, von der der Strahl austritt, nachdem er durch das Prisma hindurchführt ist, und eine Seitenwandfläche. Um schnell auf das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Felds oder eine Änderung in dem Feld anzusprechen, besitzt das Prisma mit variablem Brechungsindex eine Höhe nicht größer als ungefähr 20 μm, so dass es ein Mikroprisma ist, das innerhalb von 10 μs anspricht. In anderen, bevorzugten Ausführungsformen sind Prismenhöhen, geringer als 15 μm, und vorzugsweise geringer als 10 μm, für ein Ansprechen bis zu ungefähr 20 μs schnell, oder schneller, bevorzugt. Das Prisma mit variablem Brechungsindex besitzt auch einen Scheitelwinkel zwischen 10° und ungefähr 60°, und kann den Brechungsindex bis zu 0,15–0,3, typischerweise ungefähr 0,2, variiert haben, um so den Strahl um einen Winkel bis zu 30° oder mehr abzulenken. Vorzugsweise ist der Brechungsindex selektiv variabel, so dass der Strahl akkurat auf innerhalb einer Winkelauflösung von ungefähr 0,5 Milliradian abgelenkt werden kann. Der Brechungsindex des Prismas mit variablem Brechungsindex ist selektiv so variabel, dass er den Brechungsindex des Prismas mit konstantem Brechungsindex anpassen kann, so dass der Strahl nicht abgelenkt wird, wenn er dort hindurchführt. Jedes Prisma mit variablem Brechungsindex ist vorzugsweise aus einem Flüssigkristallmaterial aufgebaut, das ein nematisches Flüssigkristallmaterial ist, oder vorzugsweise ein ferroelektrisches Kristallmaterial ist.
Vorzugsweise ist jedes Feld aus einer Mehrzahl von Paaren von Mikroprismen aufgebaut, wobei die Mikroprismen eines Felds zwischen den Scheitelpunkten zwischen angrenzenden Mikroprismen des anderen Felds aufgenommen sind, so dass die passenden Felder vorzugsweise einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt haben. Das Feld, aufgebaut aus Mikroprismen mit variablem Brechungsindex, ist so angeordnet, dass der Strahl dort hindurchführt, bevor er durch das Feld aus Mikroprismen mit konstantem Brechungsindex hindurchführt.
Die passenden Felder sind vorzugsweise zwischen einem Paar von Glasscheiben angeordnet, mit einer elektrisch leitenden Schicht auf jeder Seite der Prismen mit varia blem Brechungsindex, was eine Zellen- oder Scheibenanordnung definiert, die dazu geeignet ist, als ein Strahlablenker zu arbeiten, der den Strahl in einer Dimension ablenken kann. Ein Abstandsteil ist vorzugsweise zwischen den Scheiben angeordnet und erstreckt sich ungefähr bis zu dem Umfang der Felder. Jede der Scheiben und jede Schicht aus leitendem Material ist zumindest teilweise optisch transparent für die Wellenlänge des Strahls, um so eine Absorption des Strahls zu minimieren, wenn er dort hindurchführt. Jede der Scheiben kann auch als ein Substrat dienen, an dem die Mikroprismenfelder ankleben.
Falls es erwünscht ist, kann eine der leitfähigen Schichten zwischen den Mikroprismenfeldern angeordnet sein. Eine solche Anordnung liefert vorzugsweise ein nicht gleichförmiges Feld durch jedes Mikroprisma mit variablem Brechungsindex, was effektiv seinen Scheitelwinkel so vergrößert, um den maximalen Ablenkwinkel zu erhöhen.
In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform kann ein Feld aus Mikroprismen mit variablem Brechungsindex zwischen einem Paar von Feldern aus Mikroprismen mit konstantem Brechungsindex sandwichartig zwischengefügt werden, um eine Erhöhung in dem maximalen Scheitelwinkel der Mikroprismen mit variablem Brechungsindex zu erzielen. Falls es erwünscht ist, können die Prismen mit variablem Brechungsindex ein Paar von verbundenen Feldern aus Mikroprismen haben, so dass jedes Prisma einen gleichwinkligen oder gleichseitigen, dreieckförmigen Querschnitt besitzt.
Dabei ist vorzugsweise eine Ausrichtungsschicht, angeordnet zwischen der Scheibe angrenzend an das Mikroprismenfeld mit variablem Brechungsindex und dem Mikroprismenfeld mit variablem Brechungsindex, das parallel oder senkrecht zu der Längenrichtung der Mikroprismen poliert ist, vorhanden, um Moleküle der Mikroprismen mit variablem Brechungsindex in einer erwünschten Richtung auszurichten. Auch kann, um die Moleküle auszurichten, die Fläche jedes der Mikroprismen mit konstantem Brechungsindex, das angrenzend an die Mikroprismen mit variablem Brechungsindex angeordnet ist, parallel oder senkrecht zu der Längenrichtung der Mikroprismen mit variablem Brechungsindex geschliffen sein.
Um ein Beugungsrauschen zu minimieren und vorzugsweise zu verhindern, kann ein positives Mikrolinsenfeld vor der Plattenanordnung angeordnet werden, und ein negatives Mikrolinsenfeld kann hinter der Plattenanordnung angeordnet werden. In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform kann das negative Mikrolinsenfeld zwischen dem posi tiven Mikrolinsenfeld und der Plattenanordnung angeordnet werden. In einer noch weiteren, bevorzugten Ausführungsform können die Breiten der Prismen in einer aperiodischen, sich wiederholenden Folge variieren, so dass die Summe der Breiten einer einzelnen Sequenz größer als die Wellenlänge des Strahls ist. Vorzugsweise ist die Summe der Breiten ungefähr 100-mal der Wellenlänge des Strahls.
Um die Temperatur der Plattenanordnung innerhalb eines erwünschten Bereichs zu halten, kann eine Temperaturregeleinrichtung verwendet werden. Eine solche Regel- bzw. Steuereinrichtung kann eine Heizeinrichtung, die die Plattenanordnung in Abhängigkeit einer gefühlten Temperatur erwärmt, um sie innerhalb des erwünschten Temperaturbereichs zu halten, umfassen. Eine andere solche Steuereinrichtung steuert die Spannung in Abhängigkeit einer gefühlten Temperatur, um irgendwelche Variationen in dem Brechungsindex aufgrund der Temperatur zu kompensieren.
Bei der Herstellung der Zellen oder Plattenanordnungen wird eine Master-Einheit zum Replizieren eines der Mikroprismenfelder, vorzugsweise des Mikroprismenfelds mit konstantem Brechungsindex, unter Verwendung eines Strahls, der ein ätz-beständiges Material, angeordnet auf einem Substrat der Master-Einheit, ätzt, um das erwünschte, dreidimensionale Master-Profil herzustellen, hergestellt. Der Strahl ist vorzugsweise ein Ionenstrahl, da ein Ionenstrahl in der Lage ist, Täler in das ätzbeständige Material hineinzuätzen, das eine Höhe klein genug besitzt, um ausreichend kleine Mikroprismen herzustellen, die dazu benötigt werden, die erwünschten, schnellen Ansprechzeiten zu erreichen. Das ätzbeständige Material ist vorzugsweise ein für einen Ionenstrahl beständiges Material oder ein für einen e-Strahl beständiges Material, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, geeignet dazu, weggeätzt zu werden, wenn der Strahl darauf auftrifft. Vorzugsweise wird die Master-Einheit unter Verwendung einer direkt schreibenden Elektronenstrahl-Lithographie hergestellt, die selektiv die Resist-Beschichtung mit einer erwünschten Intensität und für eine ausreichende Dauer bestrahlt, um das dreidimensionale Profil, komplementär zu dem Mikroprismenfeld, das dazu vorgesehen ist, repliziert zu werden, herzustellen. Die Master-Einheit kann dazu verwendet werden, Untermaster-Einheiten herzustellen, die zusammengeheftet werden können, um eine größere Master-Einheit herzustellen, oder kann als eine Master-Einheit beim Replizieren von Mikroprismenfeldern verwendet werden.
Beim Replizieren des Mikroprismenfelds mit konstantem Brechungsindex wird ein Tropfen aus einem härtbaren Material zwischen der Scheibe und der Master-Einheit angeordnet. Das härtbare Material fließt in die Täler, gebildet in der Master-Einheit zwischen den vorstehenden Graten, bis es im Wesentlichen die gesamte äußere Oberfläche der Master-Einheit abgedeckt und in Kontakt mit der Scheibe oder einer Beschichtung auf der Scheibe steht. Das härtbare Material wird dann ausgehärtet, vorzugsweise durch Aufbringen von ultaviolettem Licht, oder durch ein anderes Härtungsverfahren. Ein bevorzugtes, härtbares Material ist ein optisches Epoxidharz, oder dergleichen.
Das Mikroprismenfeld, das gebildet ist, wird in einen Vakuumofen eingesetzt, wobei die andere Scheibe darüber angeordnet ist, und ein Vakuum wird dazu verwendet, das Material mit dem variablem Brechungsindex zwischen das gebildete Mikroprismenfeld und der anderen Scheibe hineinzuziehen. Das Material mit variablem Brechungsindex liegt vorzugsweise in flüssiger oder fließfähiger Form vor. Das Vakuum wird vorzugsweise dazu vewendet, das Material mit variablem Brechungsindex zwischen die Dichtung zwischen der anderen Scheibe und dem gebildeten Mikroprismenfeld hineinzuziehen. Danach wird das Material mit konstantem Brechungsindex bei einer erwünschten Temperatur erwärmt, bevor das Vakuum unterbrochen wird, um die fertiggestellte Plattenanordnung zu entnehmen.
Zwei der Plattenanordnungen können dazu verwendet werden, einen zweidimensionalen Strahlablenker herzustellen, und werden so orientiert, dass (1) die Prismen mit konstantem Brechungsindex einer der Plattenanordnungen im Wesentlichen senkrecht zu den Prismen mit konstantem Brechungsindex der anderen der Plattenanordnungen liegen, und (2) die Prismen mit variablem Brechungsindex einer der Plattenanordnungen im Wesentlichen senkrecht zu den Prismen mit variablem Brechungsindex der anderen der Plattenanordnungen liegen. Ein Polarisierer, der vorzugsweise eine orthogonal ausgerichtete, verdrillte, nematische Flüssigkristallplatte ist, ist zwischen den Plattenanordnungen angeordnet. Der Polarisierer ist vorzugsweise orthogonal relativ zu einer oder beiden der Plattenanordnungen ausgerichtet.
Eine digitale Steuerschaltung kann dazu verwendet werden, beide Plattenanordnungen so zu steuern, um den Strahl in zwei Richtungen oder Dimensionen so abzutasten, dass der zweidimensionale Strahlablenker einen Teil einer zweidimensionalen Abtasteinrichtung bilden kann. Eine solche Steuerschaltung umfasst vorzugsweise einen Com puter mit einer Software, die die Verwendung mindestens einer Durchsichtstabelle koordiniert, die Daten zu einem Paar von Treibern zuführt, so dass einer der Treiber die Spannung zu einer der Plattenanordnungen ausgibt, benötigt dazu, den Strahl unter einem erwünschten Winkel in einer Richtung abzulenken, und der andere der Treiber die Spannung zu der anderen der Plattenanordnungen ausgibt, benötigt dazu, den Strahl unter einem erwünschten Winkel in einer anderen Richtung abzulenken.
In einer bevorzugten Abtasteinrichtungsanordnung emittiert ein Strahlemitter einen Strahl, der durch den Strahlablenker so gerichtet wird, um den Strahl auf ein Objekt, beabstandet von der Ablenkeinrichtung, abzutasten. Ein oder mehrere Strahl(en), reflektiert von dem Objekt, können in der entgegengesetzten Richtung durch den Ablenker hindurchführen, wo sie durch einen Detektor empfangen werden, der vorzugsweise die reflektierten Strahlen in Signale verarbeitet, geeignet dazu, weiter analysiert zu werden, wie beispielsweise durch einen Computer oder dergleichen.
Dort, wo der Strahlablenker ein zweidimensionaler Strahlablenker ist, kann der Strahl zum Beispiel vertikal und horizontal auf dem Objekt ebenso wie auf einem Bereich um das Objekt abgetastet werden. Auf diese Art und Weise kann dort, wo der Strahl ein Laserstrahl ist, der Strahlablenker als Teil einer Laser-Bilderzeugungs-Radar-Abtasteinrichtung verwendet werden, um ein Terrain abzutasten.
Vorzugsweise ist der zweidimensionale Strahlablenker dazu geeignet, zumindest 30° mal 30° eines Felds, nicht langsamer als ungefähr 100 μs, abzutasten, alles mit dem Strahlablenker, der sich während der Abtastung bewegt. Vorzugsweise ist die Abtasteinrichtung deshalb dazu geeignet, wiederholt einen Bereich innerhalb eines Felds in Bezug auf eine Bildrate oder Geschwindigkeit von mindestens ungefähr zehn Kilohertz abzutasten.
Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung eines Strahlablenkers umfassen: es handelt sich um einen vollständig festen Aufbau, der keine sich bewegenden Teile verwendet; er muss nicht während des Betriebs bewegt werden, so dass eine periodische, erneute Ausrichtung vorteilhafter Weise nicht erforderlich ist; er ist zum Ablenken eines Strahls unter einem Winkel von 30° oder mehr relativ zu der Einfallsrichtung bis zu 30 μs schnell oder schneller geeignet; er ist leichtgewichtig; er ist dazu geeignet, im Freien oder unter extremen Umgebungen zu arbeiten; er ist kompakt, leichtgewichtig, modular, eine Einheit, einteilig und von einem monolithischen Aufbau; er ist dazu geeignet, ein-, zwei- und dreidimensionale Abtasteinrichtungen zu bilden; er ist vielseitig und robust; und er kann schnell und kostengünstig hergestellt werden, und ist dazu geeignet, in großem Maßstab in großen Mengen hergestellt zu werden.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden. Es sollte allerdings verständlich werden, dass die detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen, während diese bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen, anhand einer Darstellung, und nicht als Einschränkung, angegeben werden. Viele Änderungen und Modifikationen können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht ist, vorgenommen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Mindestens eine bevorzugte, beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen entsprechende Bezugszeichen entsprechende Teile durchweg bezeichnen, und in denen:
1 stellt eine Vorderansicht eines quadratisch oder rechteckig geformten Strahlablenkers dieser Erfindung dar;
2 zeigt eine Seitenschnittansicht einer eindimensionalen Strahlablenkerzelle oder einer Plattenanordnung, aufgebaut aus einem Mikroprismenfeld, passend zu einem Feld aus Prismen aus einem Material mit variablem Brechungsindex für ein selektives Ablenken eines Strahls elektromagnetischer Energie, wenn er durch die Plattenanordnung hindurchführt;
3 zeigt die hintere Hälfte der Plattenanordnung;
4 zeigt die vordere Hälfte der Plattenanordnung;
5 stellt eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Strahlablenker-Plattenanordnung dar;
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen, bevorzugten Strahlablenker-Plattenanordnung;
7 zeigt eine graphische Darstellung, die den Ablenkwinkel eines Strahls, der durch eine Plattenanordnung relativ zu der Spannung, angelegt an die Plattenanordnung, hindurchführt, darstellt;
8 zeigt eine Querschnittsansicht einer noch anderen, bevorzugten Strahlablenker-Plattenanordnung;
9 stellt eine bevorzugte Anordnung zum Kompensieren der Temperatur der Plattenanordnung dar;
10 zeigt die Verwendung eines Paars von Mikrolinsenfeldern, um ein Beugungsrauschen, von einem Strahl resultierend, der durch den Strahlablenker hindurchführt, zu verringern oder zu verhindern;
11 zeigt eine zweite, bevorzugte Anordnung der Mikrolinsenfelder zum Verringern oder Verhindern eines Strahlbeugungsrauschens;
12 zeigt eine bevorzugte Strahlablenker-Plattenanordnung, wo sich die Breiten von Sätzen von Prismen in einer sich wiederholenden, aperiodischen Anordnung unterscheiden, um Strahlbeugungsrauschen zu reduzieren oder bevorzugt virtuell zu eliminieren;
13 zeigt die Arbeitsweise eines einzelnen Prismas aus einem Material mit variablem Brechungsindex beim Vorhandensein und Nichtvorhandensein eines elektrischen oder magnetischen Felds, geliefert durch eine Spannung, die selektiv an das Prisma angelegt ist;
14 stellt einen ersten Schritt beim Herstellen einer Master-Einheit dar, die später entweder dazu verwendet wird, Mikrolinsenfelder zu replizieren, oder die dazu verwendet wird, um Master-Einheiten, verwendet dazu, um Mikrolinsenfelder zu replizieren, herzustellen;
15 stellt einen zweiten Schritt beim Herstellen der Master-Einheit dar, nachdem das Aufbringen von Licht ein lichtempfindliches Material, getragen durch das Substrat, geätzt hat, um Erhebungen und Täler im Wesentlichen komplementär zu der Form des erwünschten Mikroprismenfelds zu bilden;
16 stellt einen Formungsschritt beim Herstellen des Mikroprismenfelds dar, wobei ein flüssiges, härtbares Material zwischen einem Substrat, auf dem es geformt werden soll, und einer Master-Einheit vorgesehen ist;
17 stellt einen Härtungsschritt dar, bei dem das härtbare Material durch das Aufbringen von Licht gehärtet wird;
18 stellt das Mikroprismenfeld dar, nachdem es geformt und gehärtet ist;
19 stellt einen Schritt dar, vorbereitend dazu, ein Feld aus Mikroprismen herzustellen, aufgebaut aus einem Material mit variablem Brechungsindex;
20 und 21 stellen ein Schleifen in einer ersten, bevorzugten Art und Weise dar, um eine parallele oder n-Zellen-Plattenanordnung zu bilden;
22 stellt ein Schleifen in einer zweiten, bevorzugten Art und Weise dar, um eine antiparallele Zellen-Plattenanordnung zu bilden;
23 stellt ein Schleifen in einer dritten, bevorzugten Art und Weise dar, um eine gekreuzte Zellenplattenanordnung zu bilden;
24 stellt ein Bilden des Felds aus Prismen, aufgebaut aus einem Material mit variablem Brechungsindex, in einem Vakuumofen dar;
25 stellt einen zweidimensionalen Strahlablenker, aufgebaut aus einem Paar von gekreuzten Plattenanordnungen, dar;
26 stellt eine Betriebsweise des zweidimensionalen Strahlablenkers dar, der eine Mehrzahl von Paaren von Strahlen in der Y-Dimension ablenkt;
27 zeigt eine Betriebsweise des zweidimensionalen Strahlablenkers, der eine Mehrzahl von Paaren von Strahlen in der X-Richtung ablenkt;
28 stellt ein Steuerschema zum Steuern der Betriebsweise des zweidimensionalen Strahlablenkers dar;
29 stellt eine bevorzugte, digitale Schaltungsschematik einer Steuereinheit zum Steuern der Betriebsweise des zweidimensionalen Strahlablenkers dar;
30 stellt eine beispielhafte, zweidimensionale Abtasteinrichtungsanordnung dar, die den zweidimensionalen Strahlablenker verwendet;
31 stellt eine Laser-Bilderzeugungs-Radar-Vorrichtung dar, die den zweidimensionalen Strahlablenker verwendet; und
32 stellt eine Laser-Bilderzeugungs-Radar-Vorrichtung an Bord einer Rakete oder eines Geschosses dar, das, zum Beispiel, in Suchanwendungen oder für eine Zielakquisition verwendet werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
I. Einleitung
Die 1 und 2 stellen einen Lichtstrahlablenker 40 dieser Erfindung dar, der eine Mehrzahl von Paaren aus Prismen 42, angeordnet in einem Feld 44, das vorzugsweise ein Teil einer Zelle oder einer Plattenanordnung 46 bildet, umfasst. Wie die 2 zeigt, überlegt ein Material 48, dessen Brechungsindex, n, selektiv geändert oder variiert werden kann, um dadurch die Ablenkung oder den Abtastwinkel, α, eines Strahls 50 elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Licht, zu ändern, wenn es durch die Plattenanordnung 46 in Abhängigkeit der kontrollierten Aufbringung von Elektrizität auf das Material 48 hindurchführt, zumindest einem Teil jedes der Prismen 42. In seiner bevorzugten Ausführungsform ist das im Brechungsindex variabel Material 48 so aufgebaut, dass der Strahl 50, der dadurch und durch mindestens eines der Prismen 42 hindurchführt, unter einem Winkel, α, abgelenkt wird, was, zumindest teilweise, von der Größe einer elektrischen Spannung, die angelegt ist, abhängt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Material 48 mit variablem Brechungsindex in der Form einer Mehrzahl von Paaren von Prismen 48 angeordnet, die sich jeweils zu einem der Prismen 42 ausrichten und vor einem davon angeordnet sind.
Der Strahlablenker 40 dieser Erfindung ist besonders gut für Anwendungen geeignet, die die Fähigkeit erfordern, schnell den Winkel, α, des Einfallsstrahls 50 zu ändern, so dass die Ansprechzeit langsamer als ungefähr 100 Mikrosekunden (μs) von der Zeit an ist, zu der ein erwünschtes, elektrisches Potential angelegt wird, bis der erwünschte Winkel erreicht ist. Vorzugsweise ist die Ansprechzeit oder die Zuschaltgeschwindigkeit des Ablenkers 40 zumindest 45 μs schnell oder schneller.
Dort, wo eine einzelne Plattenanordnung 46 verwendet wird, arbeitet jedes Paar von Prismen 42 und 48 so zusammen, um kontrollierbar einen ankommenden Strahl 50 in einer Richtung, die allgemein orthogonal zu der Plattenanordnung 46 liegt, zu brechen, so dass dann, wenn der Ausgangsstrahl 50' die Plattenanordnung 46 verlässt, der Ablenkwinkel, α, von spitz bis 0° relativ zu dem Winkel des Einfallsstrahls 50 reicht. Zum Beispiel bricht, wie 2 zeigt, jedes Paar von Prismen 42 und 48 den Strahl 50 in der Y-Richtung, wo der Strahl 50 kontrolliert gebrochen wird.
Somit verläuft der Einfallsstrahl 50 im Wesentlichen senkrecht zu der Plattenanordnung 46, wenn er sich der Plattenanordnung 46 nähert, wobei der Strahl 50 durch einen Polarisierer, schematisch dargestellt, mit dem Bezugszeichen 51 in 2 bezeichnet, polarisiert werden muss, der optisch zwischen einer Quelle (nicht dargestellt), die den Strahl 50 erzeugt, und der Plattenanordnung 46 angeordnet ist. Ein Polarisierer 51 wird vorzugsweise dort verwendet, wo der Strahl 50 auf das Prisma 42 oder 48 einfällt.
Die Strahlquelle erzeugt vorzugsweise einen Strahl 50 elektromagnetischer Energie. Vorzugsweise erzeugt die Strahlquelle einen Strahl 50 aus Licht, das vorzugsweise allgemein innerhalb des Wellenlängenbereichs zwischen ungefähr 0,3 Mikrometern (μ) und ungefähr 30 μm fällt. Die Strahlquelle erzeugt vorzugsweise einen Strahl 50 aus kohärentem Licht von einer Quelle, die vorzugsweise ein Laser, oder dergleichen, ist. Dort, wo kohärentes Licht orthogonal auf die Platte 46 fokussiert wird, muss ein Polarisierer 51 nicht verwendet werden. Die Strahlquelle kann auch einen Strahl 50 aus kohärentem Licht liefern.
Wie die 25 bis 27 zeigen, können dort, wo zwei solcher Plattenanordnungen 46a und 46b einander überlegen, die Plattenanordnungen 46a und 46b einen Teil eines zweidimensionalen Ablenkers 52 bilden, der dazu verwendet wird, selektiv den Strahl 50 in zwei Dimensionen zu brechen, was ermöglicht, dass der Strahl 50 dazu verwendet werden kann, ein Objekt abzutasten, das unter einem Abstand von dem Ablenker 52 angeordnet ist. Als Folge ihrer vorteilhafter Weise schnellen Umschaltgeschwindigkeit kann die Abtasteinrichtungsanordnung aus mindestens einer Plattenanordnung 46 und vorzugsweise aus einem Paar von Plattenanordnungen 46a und 46b gebildet werden, und ist ebenso gut geeignet zur Verwendung in Anwendungen, die eine hohe Abtastgeschwindigkeit erfordern. Beispiele solcher Anwendungen umfassen: Abstandsmesser, Anzeigen, Drucker, Graviereinrichtungen, Kopiermaschinen, Schienensichtsysteme, Fahrzeugnäherungs-Erfassungssysteme, Umweltüberwachungssysteme und Bilderzeugungs-Radare, wie beispielsweise Laser-Bilderzeugungs-Radare (laser imaging radars – LADARS).
II. Eindimensionaler Strahlablenker
Jedes Prisma 42 ist vorzugsweise ein Prisma 42 mit konstantem Brechungsindex, das eine einzelne Reihe des hinteren Felds 44 bildet, und erstreckt sich vorzugsweise von einer Seite der Plattenanordnung 46 zu deren anderer Seite. Ein einzelner Plattenablenker 40 besitzt vorzugsweise nur eine einzelne Säule aus Prismen 42 mit konstantem Brechungsindex, angepasst zu einer einzelnen Säule aus Prismen 48 mit variablem Brechungsindex. Natürlich können, während die Prismen 42 und 48 der Plattenanordnung 46, dargestellt in 1, horizontal verlaufen, sie in einer Richtung, anders als horizontal, orientiert sein.
Wie in 2 dargestellt ist, besitzt jedes passende Paar aus Prismen 42 und 48 der Plattenanordnung 46 einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt. Die Platten anordnung 46 umfasst eine vordere Fläche 68 und eine hintere Fläche 70, die voneinander durch Prismen 42 und 48 beabstandet sind. Wie die 3 und 4 zeigen, besitzt jede Fläche 68 und 70 eine vordere Oberfläche 72 und 74, jeweils, angeordnet zu dem Einfallsstrahl 50 hin, und eine hintere Fläche 46 und 48, jeweils, angeordnet in einer Richtung, die von dem Einfallsstrahl 50 wegweist. Jede Fläche 68 und 70 ist vorzugsweise aus einem Glas aufgebaut, das vorzugsweise transparent ist, allerdings aus einem geeigneten Polymer, falls dies erwünscht ist, aufgebaut sein kann. Beispiele von anderen, geeigneten Plattenmaterialien umfassen Quarzkristall, Borosilikatglas, infrarot-transmissive Fenster, Polycarbonat, Acryl und andere Materialien, die vorzugsweise zumindest etwas transparent für die Wellenlänge des Strahls 50 sind.

Jedes Prisma 42 weist vorzugsweise ein Material aus einem im Wesentlichen konstanten Brechungsindex auf, geeignet dazu, um als ein optisches Prisma zu arbeiten, während es eine hohe Oberflächenqualität und eine gute optische Qualität mit einer guten Transparenz und einem Minimum an Streuverlust besitzt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Prismas ist das Prisma 42 aus einem Polymer aufgebaut, das vorzugsweise ein Epoxidharz ist. Ein solches geeignetes Epoxidharz ist ein Typ NOA 72 Epoxidharz, hergestellt und vertrieben von Norland Products, Inc., North Brunswick, New Jersey, das, zum Beispiel, die folgenden, geeigneten Eigenschaften, die aufgelistet sind, besitzt:

Viskosität	155 cps
Brechungsindex	1,56
Härte	Shore D 75
Dielektrische Konstante bei 1 MHz	3,98
Dielektrische Festigkeit (V/mil)	456
Dissipationsvektor bei 1 MHz	0,0351
Volumenwiderstandsfähigkeit (Ω/cm)	7,37 × 10¹⁴
Oberflächenwiderstandsfähigkeit (Ω)	3,73 × 10¹²

Tabelle 1

Vorzugsweise verhält sich das Prismenmaterial als ein elektrischer Isolator und verhindert einen Fluss von Elektronen durch jedes Prisma 42 mit konstantem Brechungsindex. Andere Materialien sind auch geeignet. Zum Beispiel können ein anderes Polymer, ein Klebemittel, ein optisches Klebemittel oder ein Typ eines Epoxidharzes verwendet werden. Zusätzlich können Glas, Quarz, Quarzglas, infrarot-transmissive Fenster, Polykarbonat oder Acryl verwendet werden.
Wie 3 zeigt, besitzt jedes Prisma 42 des Felds 44 vorzugsweise dieselbe Querschnittsform. Jedes Prisma 42 besitzt eine polygonale Querschnittsform, die vorzugsweise im Wesentlichen dreieckförmig ist. Jedes Prisma 42 besitzt eine Strahlaufnahmefläche 56, die vorzugsweise im Wesentlichen eben ist und unter einem Winkel relativ zu dem Einfallsstrahl 50 angeordnet ist, eine im Wesentlichen ebene Strahlaustrittsfläche 58, aus der der Strahl 50 das Prisma 42 verlässt und die im Wesentlichen senkrecht relativ zu dem Einfallsstrahl 50 angeordnet ist, und eine Seitenwandfläche 60, die vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Strahlaustrittsfläche 58 liegt.
Jedes Prisma 42 besitzt einen Scheitelpunkt 62 an dem Schnittpunkt zwischen der Stahlaufnahmefläche 56 und der Seitenwandfläche 60, die in 1 als Linie 62 erscheint. Wie in 1 dargestellt ist, ist die Scheitellinie 62 eine unterteilende Linie zwischen einem Prisma 42 und einem angrenzenden Prisma 42. Jedes Prisma besitzt auch ein Paar von Scheitelpunkten 64 und 66, die voneinander und von dem Scheitelpunkt 62 beabstandet sind. Der Scheitelpunkt 64 ist durch den Schnitt zwischen der Strahlaufnahmefläche 56 und der Strahlaustrittsfläche 58 gebildet. Der Scheitelpunkt 66 ist durch den Schnitt zwischen der Seitenwandfläche 60 und der Strahlaustriftsfläche 58 gebildet. Wie in 3 dargestellt ist, ist der untere Scheitelpunkt 64 eines Prismas 42 vorzugsweise angrenzend zu dem oberen Scheitelpunkt 66 eines angrenzenden Prismas 42 oder stößt dagegen an.
Jedes Prisma 42 besitzt einen Scheitelwinkel, Φ, der vorzugsweise im Wesentlichen derselbe für alle Prismen 42 eines hinteren Felds 44 ist. Der Scheitelwinkel, Φ, ist vorzugsweise zwischen ungefähr 10° und ungefähr 60°. In einer bevorzugten Ausführungsform ist Φ ungefähr 57°. In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform ist Φ ungefähr 45°. Vorzugsweise ist die Auswahl von Φ von einem oder von mehreren Faktor(en), wie beispielsweise dem maximalen, erwünschten Winkel, α_max, wie die Anordnung 46 einen Strahl 50, der hindurchführt, brechen kann, von der Abtast- oder Umschaltgeschwindigkeit, von der Größe jedes Prismas 42 und 48, und vielleicht auch von anderen Faktoren, abhängig. Vorzugsweise basiert die Auswahl von Φ auf Programm-Experimenten und -Optimierungen in Bezug auf diese Faktoren und die Anwendung, in Verbindung mit der der Strahlablenker 40 verwendet werden soll.
Die hintere Fläche 70 bildet ein Substrat, das jedes Prisma 42 trägt. Vorzugsweise ist die Strahlaustrittsfläche 58 jedes Prismas 42 verklebt an der vorderen Fläche 74 der Fläche 70 befestigt. Wie in 2 dargestellt ist, ist eine Ausrichtungsschicht 80 an der vorderen Fläche 56 des Prismas 42 und an dessen Strahlaustrittsfläche 58 angeordnet. Die Schicht 80 hilft vielleicht dabei, die Moleküle des den Brechungsindex ändernden Materials 48 entlang einer spezifischen Richtung auszurichten, vorzugsweise entlang des Prismas 42. Die Schicht 80 ist vorzugsweise eine dünne Schicht, aufgebaut aus einem Polyamid oder einem Polyvinylalkohol (PVA).
Auch ist zwischen der Strahlaustrittsfläche 58 jedes Prismas 42 und der vorderen Fläche 74 der hinteren Fläche 70 eine elektrisch leitende Schicht 82 angeordnet. Die Schicht 82 ist vorzugsweise aus einem Material aufgebaut, das für einen Elektronenfluss geeignet ist, während es im Wesentlichen optisch transparent ist. Vorzugsweise besitzt das elektrisch leitende Material eine Dicke so, dass Licht, das dadurch hindurchführt, minimal absorbiert wird. Ein bevorzugtes Material, geeignet zur Verwendung, ist Indiumzinnoxid (indium tin Oxide – ITO).
Die Schicht 82 steht mit mindestens einer Elektrode oder einem Anschluss 84 ( 1) in Verbindung, die wiederum mit einer Quelle eines elektrischen Potenzials, nämlich einer Spannungsversorgung, bezeichnet mit V, verbunden ist. Die Spannungsquelle, V, und die elektrisch leitende Schicht 82 werden dazu verwendet, ein elektrisches Feld während eines Betriebs zu erzeugen, das dazu verwendet wird, selektiv den Brechungsindex von einem oder von mehreren der Prismen 48 zu kontrollieren. Vorzugsweise wird ungefähr derselbe elektrische Feldfluss oder die Flussdichte an alle der Prismen 48 eines gegebenen Felds 88 angelegt. Vorzugsweise wird, wenn eine Spannung angelegt wird, dieselbe Spannung in der Nähe aller der Prismen 48 eines gegebenen Felds 88 angelegt.
Wie 4 zeigt, sind die Prismen 48 mit variablem Brechungsindex auch in einem Feld 88 angeordnet, das vor dem hinteren Feld 44 angeordnet ist und optisch zwischen dem hintern Feld 44 und der Strahlquelle verbunden ist, so dass ein Strahl 50, emittiert von der Quelle oder erzeugt dadurch, zuerst durch mindestens eines der Prismen 48 des vorderen Felds 88 hindurchführen wird, bevor es durch mindestens eines der Prismen 42 des hinteren Felds 44 hindurchführt.
Wie zuvor diskutiert ist, ist jedes der Prismen 48 aus einem Material hergestellt, das einen Brechungsindex, n, besitzt, der selektiv variiert werden kann, um selektiv den Winkel zu kontrollieren, unter dem Licht gebrochen oder abgelenkt wird, wenn es durch die Prismen 48 und 42 hindurchführt. Vorzugsweise ist jedes der Prismen 48 aus einem Flüssigkristall, geeignet dazu, selektiv dessen Brechungsindex, n, in Abhängigkeit des Vorhandenseins eines elektrischen Felds zu variieren, aufgebaut. Bei der Herstellung der Prismen 48, aufgebaut aus einem Flüssigkristallmaterial, kann die Reib- bzw. Schleifrichtung parallel (n-Zelle), antiparallel oder gekreuzt sein.
Einige geeignete im Brechungsindex variable Materialien in Form eines Flüssigkristalls und einige deren Eigenschaften sind nachfolgend aufgelistet:
Tabelle 2 wobei

η: die Rotationsviskosität der Moleküle des Materials mit variablem Brechungsindex ist;
k: ₁₁ die elastische Biegkonstante des Materials mit variablem Brechungsindex ist;
Δn: die maximale Änderung in dem Brechungsindex, n, des Materials mit variablem Brechungsindex ist;
ne: der Brechungsindex des Materials ist, wenn kein Feld angelegt ist, d. h. wenn sich das Flüssigkristall in dem „Aus" Zustand befindet; und
Δε: die elektrische Konstante des Materials mit variablem Brechungsindex ist.

Alle diese Flüssigkeitskristall-Materialien mit variablem Brechungsindex sind kommerziell erhältlich von E. M. Industries, Hawthorne, New York.
Andere, geeignete Flüssigkristall-Materialien können auch verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Moleküle des Materials einfach homogen und schnell auszurichten sind, ansprechend (1) auf das Vorhandensein eines elektrischen Felds, d. h. Einschalten, (2) auf ein Nichtvorhandensein des elektrischen Felds, d. h. Ausschalten, und (3) auf Änderungen in der Größe, dem Fluss oder der Flussdichte des elektrischen Felds, d. h. um schnell α zu ändern. Zum Beispiel können Flüssigkristall-Materialien, die nematisch, ferroelektrisch und nicht-ferroelektrisch sind, die die erwünschten Charakteristika haben, verwendet werden. Vorzugsweise kann sich ein geeignetes Material nicht langsamer als ungefähr 100 μs von der Zeit aus einschalten und abschalten, zu der ein erwünschtes, elektrisches Potenzial angelegt wird, bis der erwünschte Winkel erreicht ist. Vorzugsweise ist die Ansprechzeit oder die Umschaltgeschwindigkeit des Materials mindestens 50 μs schnell oder schneller. Falls erwünscht, kann ein magnetisches Feld verwendet werden, um selektiv den Brechungsindex des Flüssigkristalls, verwendet in dem Prisma 48, zu kontrollieren. Für schnellere Ansprechzeiten wird ein ferroelektrisches Flüssigkristall-Material, vorzugsweise, verwendet.
Unter Bezugnahme auf Tabelle 2, vorstehend, wird dort, wo das Material mit variablem Brechungsindex ein Flüssigkristall-Material ist, die Fähigkeit des Flüssigkristall-Materials, auf das Vorhandensein eines elektrischen oder magnetischen Felds anzusprechen, durch dessen Anstiegszeit, T_r gemessen, und die Fähigkeit des Flüssigkristall-Materials, auf das Vorhandensein eines elektrischen Felds oder magnetischen Felds anzusprechen, wird durch die Relaxationszeit, T_d, gemessen. Demzufolge müssen sich die Moleküle des ausgewählten Flüssigkristall-Materials jedes Prismas 48 einfach homogen in dem Aus-Zustand dort ausrichten, wo kein elektrisches oder magnetisches Feld angelegt wird. Zusätzlich muss das Flüssigkristall-Material gut im Hinblick auf seine molekulare Orientierung oder Ausrichtung definiert sein. Die Anstiegszeit, T_r, und die Relaxationszeit, Td, können unter Verwendung der nachfolgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
wobei
C₁ und C₂ Konstanten in Abhängigkeit von dem spezifischen Typ eines Flüssigkristall-Materials sind;
d die Dicke der Flüssigkristallzelle ist, d. h. die Dicke des Prismas 48.
Aus den Beziehungen, ersichtlich in den vorstehenden zwei Gleichungen, wird deutlich, dass T_r und T_d proportional zu n und zu d² sind, und dass sich T_r mit Δε verrin gert, während sich T_d mit k₁₁ verringert. Deshalb ist es bevorzugt, und sogar kritisch, um die erwünschten, schnellen Ansprechzeiten und Umschaltgeschwindigkeiten, die hier angegeben sind, zu erreichen, Flüssigkristall-Materialien auszuwählen, die ein niedriges n, ein hohes Δε und ein hohes k₁₁ haben, während die Querschnittsdicke der passenden Felder 44 und 48 so dünn wie möglich gemacht wird. Vorzugsweise ist, für ein Flüssigkristall-Material, das geeignet ist, n nicht größer als ungefähr 300 mPa·s, Δε ist nicht geringer als ungefähr 20 und k₁₁ ist nicht geringer als ungefähr 10 × 10^–12 N.
Jedes Prisma 48 des Felds 88 besitzt vorzugsweise eine im Wesentlichen gemeinsame Querschnittsform, die vorzugsweise im Wesentlichen dreieckförmig ist. Jedes Prisma 48 besitzt eine Strahlaufnahmefläche 90, die vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht oder orthogonal zu der Richtung des Einfallsstrahls 50 angeordnet ist. Die Strahlaustrittsfläche 92 ist unter einem spitzen Winkel relativ zu der Strahlaufnahmefläche 90 angeordnet und ist unter einem Winkel relativ zu der Richtung des Einfallsstrahls 50 angeordnet. Die Seitenwandfläche 94 ist allgemein parallel zu der Richtung des Einfallsstrahls 50.
Jedes Prisma 48 besitzt einen Scheitelpunkt 96, gebildet durch den Schnitt zwischen der Seitenwandfläche 94 und der Strahlaustrittsfläche 92. Der Schnitt zwischen der Strahlaufnahmefläche 90 und der Strahlaustrittsfläche 92 bildet einen anderen Scheitelpunkt 98 und der Schnitt zwischen der Strahlaufnahmefläche 90 und der Seitenwandfläche 94 bildet einen noch weiteren Scheitelpunkt 100.
Die vordere Fläche 68 bildet ein Substrat, das jedes der Prismen 48 trägt. Vorzugsweise ist die Strahlaufnahmefläche jedes Prismas 48 an der hinteren Oberfläche 76 der Fläche bzw. der Platte 68 befestigt. Wie auch in 2 dargestellt ist, ist dort eine elektrisch leitende Schicht 102, angeordnet zwischen der Strahlaufnahmefläche 90 jedes Prismas 48 und der hinteren Oberfläche 76 der Platte 68, angeordnet. Vorzugsweise ist die Schicht 102 dieselbe oder im Wesentlichen dieselbe wie die Schicht 82. Die Schicht 102 ist elektrisch mit einer Elektrode oder einem Anschluss 86 (1) verbunden, die, wiederum, elektrisch mit der Spannungsquelle, V, verbunden ist.
Wie die 2–4 zeigen, ist, wenn die zwei Felder 44 und 88 zusammen montiert werden, vorzugsweise eine Ausrichtungsschicht 104, angeordnet zwischen der Strahlaustrittsfläche 92 jedes Prismas 48 und der Strahlaufnahmefläche 56 jedes Prismas 42, vorhanden. Die Schicht 104 ist vorzugsweise dieselbe oder im Wesentlichen dieselbe wie die Schicht 80.
5 zeigt eine andere, bevorzugte Plattenanordnung. 5 ist ähnlich zu 2, mit der Ausnahme, dass dort ein Abstandsteil 105 zwischen jeder Platte bzw. Fläche 68 und 70 vorhanden ist. Das Abstandsteil 105 ist vorzugsweise um den Umfang der Felder aus den Prismen 42 und 48 angeordnet und ist vorzugsweise aus einem elastischen Film, wie beispielsweise einem DuPont Mylar Film, oder dergleichen, hergestellt. Auch erstrekken sich, wie in 5 dargestellt ist, die Prismen 42 des Felds 44 nach oben von einem Basisabschnitt 45 aus. Zusätzlich ist, in 5, die Ausrichtungsschicht 80 vor dem Prismenfeld 88, anstelle dahinter, angeordnet.
6 zeigt eine noch andere, bevorzugte Plattenanordnung. Wie in 6 dargestellt ist, kann dort eine andere, elektrisch leitende Schicht 106, angeordnet zwischen jedem angrenzenden Paar von Prismen 42 und 48, vorhanden sein. Die Schicht 106, auch angedeutet dargestellt in 3, ist mit einer Strahlaufnahmefläche 56 eines Prismas 42, anstelle einer Schicht 82 zwischen Flächen 58 und 74, beschichtet. Eine solche Schicht 106 hilft vorzugsweise dabei, das Profil des Strahls 50 zu bewahren, indem eine Konvergenz oder Divergenz des Strahls 50 verhindert wird, wenn er durch die Platte 56 hindurchführt, indem ein nicht gleichförmiges Feld über das angrenzende Prisma 48 mit variablem Brechungsindex erzeugt wird. Eine solche Schicht 106 ist vorzugsweise aus ITO hergestellt, und verursacht vorzugsweise die Doppelbrechung, Δn, um gleichförmig über das gesamte Feld 88 der Prismen 48 zu sein.
Das Vorsehen einer Schicht 106 aus leitfähigem Material auf der Fläche 56 jedes Prismas 42 erhöht auch den maximalen Ablenkwinkel, α_max, über die Platten, dargestellt in den 2 und 5. Dies kommt daher, dass das elektrische Feld stärker nahe der Spitze 98 (4) jedes Prismas 48 als nahe dessen Basis 94 ist, was bewirkt, dass sich der effektive Brechungsindex jedes Prismas 48 dahingehend ändert, dass er größer angrenzend an die Basis 94, als angrenzend an die Spitze 98, ist. Als Folge wird der effektive Scheitelwinkel jedes Prismas 48 erhöht, d. h. der optische Weg wird erhöht, so dass es sich so verhält, als wäre sein Scheitelwinkel, Φ, größer als derjenige, wie er real ist, um dadurch einen größeren, maximalen Ablenkwinkel, α_max, für einen gegebenen Scheitelwinkel, σ, verglichen mit den Platten, in den 2-5, hervorzurufen. Vorzugsweise sind σ und Φ im Wesentlichen dieselben.
Wenn die zwei Felder 44 und 48 miteinander montiert werden, wird jedes Prisma 48 des vorderen Felds 88 in einer komplementären Lücke mit einem im Wesentlichen drei eckförmigen Querschnitt aufgenommen, angeordnet unmittelbar vor jedem Prisma 42. Vorzugsweise hilft die Ausrichtungsschicht 104, dazwischen angeordnet, dabei, sie zusammenzuhalten. Als solche dient die Ausrichtungsschicht 104 vorzugsweise als ein Klebemittel, das die Strahlaustrittsfläche 92 jedes Prismas 48 mit der Strahlaufnahmefläche 56 des Prismas 42 angrenzend an das bestimmte Prisma 48 und dazu hinweisend verbindet. Die passenden Felder 44 und 88 bilden, wenn sie montiert sind, eine prismatische Anordnung, die einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt besitzt.
Um die Ansprech- und Umschaltgeschwindigkeit zu erhöhen, ist jedes der Prismen 42 und 48 relativ klein. Jedes der Prismen 42 und 48 besitzt eine Teilung, p, die die Höhe, Tiefe oder Dicke des Prismas darstellt. Jedes der Prismen 42 und 48 besitzt eine Höhe, p, nicht größer als ungefähr 20 μm, so dass sie jeweils Mikroprismen sind. Wenn sich die Geschwindigkeit, mit der sich ein Flüssigkristallprisma 48 abschaltet, das bedeutet zu seinem Off-Brechungsindex, n_e, zurückkehrt, mit einem Erhöhen der Dicke verringert, ist es wünschenswert, die Dicke jedes Prismas 42 und 48 zu minimieren. Um eine erwünschte, schnelle Ansprechzeit von weniger als ungefähr 100 μs zu erreichen, besitzt jedes der Prismen 42 und 48 eine Höhe, p, die nicht größer als ungefähr 20 μm ist. Vorzugsweise ist die Höhe, p, jedes Prismas geringer als ungefähr 15 μm und beträgt ungefähr 10 μm oder weniger, um noch weiter die Ansprechzeit zu verringern. Um noch weiter die Ausschalt-Zeit zu verringern, wo die Prismen 48 aus einem Flüssigkristall-Material mit variablem Brechungsindex hergestellt sind, wird ein Schleifen in der parallelen Richtung während der Herstellung durchgeführt, um eine Plattenanordnung 46 zu bilden, die von einem π-Zellenaufbau ist, wenn die Herstellung abgeschlossen ist.
Die Höhe p jedes Prismas 42 ist vorzugsweise im Wesentlichen dieselbe für alle Prismen 42 des Felds 44. In ähnlicher Weise ist die Höhe p jedes Prismas 48 vorzugsweise im Wesentlichen dieselbe für alle der Prismen 48 des Felds 88. Während sich die Höhe p jedes Prismas 42 von der Höhe p jedes Prismas 48 unterscheiden kann, sind sie vorzugsweise ungefähr dieselben. Da jedes Prisma 42 und 48 vorzugsweise einen rechtwinkligen Dreiecksquerschnitt besitzt, ist die Höhe, p, beider Prismen 42 und 48 vorzugsweise dieselbe wie die Länge der Seitenfläche 60 und 94 der Prismen 42 und 48.
Die Breite, w, jedes Prismas 42 und 48 ist vorzugsweise nicht größer als ungefähr 100 μm. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Prismenbreite, w, ungefähr 30 μm und kann schmaler sein, falls dies erwünscht ist.
Die Spannungsquelle, V, ist eine variable Spannungsquelle, die dazu geeignet ist, die Spannung, angelegt an Anschlüsse 84 und 86, in einer Art und Weise zu variieren, die den Brechungsindex, n, jedes der Prismen 48 mit variablem Brechungsindex ändert. Vorzugsweise ist die Spannungsquelle, V, eine Wechselstromquelle, die vorzugsweise eine Rechteckwelle ausgibt. Vorzugsweise kann die Spannung, angelegt an die Anschlüsse 84 und 86, selektiv zwischen 0 und 10 Volt variiert werden. In Abhängigkeit von der Prismendicke kann die Spannung höher sein. Zum Beispiel kann, für Prismendicken größer als ungefähr 20 μm, die Spannung höher als 10 Volt sein.
Die Spannungsquelle, V, kann mit einer anderen Schaltung, analog oder digital, verbunden sein, die dazu verwendet wird, zu kontrollieren, wie viel Spannung die Quelle, V, zu jedem Anschluss zuführt. Zum Beispiel kann eine digitale Schaltung zusammen mit einem Computerprogramm verwendet werden, um zu steuern, wie viel Spannung angelegt wird, um akkurat den Winkel zu steuern bzw. zu kontrollieren, unter dem der Strahl 50 gebrochen wird. Ein solches Computerprogramm kann auf eine Durchsichtstabelle oder eine Funktion, wie beispielsweise eine Gleichung, zugreifen, die eine Mehrzahl von Brechungsindizes eines Prismas 48 zu der Spannung, benötigt dazu, um den erwünschten Brechungsindex zu erzeugen, korreliert.
Eine solche Durchsichtstabelle oder Gleichung kann basierend auf Programm-Experimenten des Brechungsindex, erreicht für eine gegebene, angelegte Spannung, durch Anlegen der Spannung und Messen des Brechungswinkels des Strahls 50, wenn er durch die Platte 46 hindurchführt, abgeleitet werden. 7 stellt ein Beispiel von solchen Daten dar, entwickelt für einen Strahlablenker 40, für ein Polymer-Mikroprismenfeld, mit Prismen 48, von denen jedes eine Länge von 25 μm und eine Höhe von 30 μm besitzt, hergestellt aus E7 nematischem Flüssigkristall, angeordnet in einer Platte 46 mit ungefähr 2 Inch mal 2 Inch einer Aperturgröße. Wie durch den Ausdruck 108 in 7 dargestellt ist, beträgt das Strahlablenkungswinkelmaximum, α_max, ungefähr 20°, und der minimale Ablenkwinkel, α_min, beträgt ungefähr –8°. Ohne an eine Spannung angelegt beträgt α ungefähr 20°. Wie durch den parabolischen Ausdruck 108 dargestellt ist, variiert, wenn die Spannung selektiv zwischen 0 Volt und ungefähr 25 Volt variiert wird, α entsprechend selektiv zwischen leicht geringer als 20° und ungefähr 0°. Demzufolge reicht, für die Plattenanordnung 46, dargestellt in 1, wenn sie entsprechend den vorstehenden Spezifika tionen aufgebaut ist, α von α_max leicht geringer als ungefähr 20° bis zu einem bevorzugten, minimalen α, das so begrenzt ist, dass es nicht größer als ungefähr 0° beträgt.
8 zeigt einen Teil einer zweiten, bevorzugten Plattenanordnung 110 einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform des Strahlablenkers 40'. Die Plattenanordnung 110 besitzt ein Paar von äußeren Feldern 44 und 44' aus Prismen 42 und ein mittleres Feld 112 aus Prismen 114 mit variablem Brechungsindex, die jeweils einen Querschnitt in Form eines Dreiecks haben, das ein gleichseitiges oder gleichschenkliges Dreieck sein kann. Jedes Prisma 114 kann aus einem Paar von Prismen 48, aneinander angepasst an der angedeuteten Linie, bezeichnet mit dem Bezugszeichen 120, aufgebaut sein. Das Feld 44' ist dasselbe wie das Feld 44, mit der Ausnahme, dass es entlang der Linie 120 gespiegelt ist. Falls es erwünscht ist, kann die Plattenanordnung 110 aus einem ersten Paar Feldern 44 und 88 zusammen und einem zweiten Paar Felder 88 und 44, zusammen angepasst, aufgebaut sein, was zu einer Doppel-Mikroprisma-Feldanordnung führt. Angeordnet zwischen der vorderen Fläche 68 und dem vorderen Prismenfeld 44 ist eine leitende Schicht 118, und angeordnet zwischen der hinteren Fläche 70 und dem hinteren Prismenfeld 44' ist eine andere, leitfähige Schicht 118. Die Plattenanordnung 110 erzeugt einen maximalen Ablenkwinkel α_max, der viel größer als für die Plattenanordnung 46 ist. Typischerweise ist das α_max der Plattenanordnung 110 größer als ungefähr das Doppelte desjenigen der Plattenanordnung 46.
Falls Temperatur-Betrachtungen wichtig sind, wie beispielsweise dann, wenn der Strahlablenker 40 oder 40' in Anwendungen im Freien bei Temperaturen geringer als ungefähr 60°Celsius (C) verwendet wird, kann eine Temperaturkompensation verwendet werden. Für Militär- und Fluganwendungen, wo Temperaturen stark variieren können, wird eine Temperaturkompensation einer bestimmten Art bevorzugt verwendet. Dort, wo die Umgebungstemperatur ungefähr 60°C, oder darüber, beträgt, wird eine Temperaturkompensation wahrscheinlich nicht benötigt. Wenn in Räumen gearbeitet wird, wo die Temperatur konstant ist, kann eine Temperaturkompensation nicht benötigt werden.
Wie die 9 zeigt, umfasst der Strahlablenker 40 einen Temperaturkompensator 122, aufgebaut so, um dabei zu unterstützen, das Feld 88 aus Prismen 48 mit Brechungsindex auf einer relativ konstanten Temperatur und bei einer Temperatur zu halten, bei der die Ansprechzeit des Strahlablenkers 40 nicht in unerwünschter Weise verlangsamt wird. Der Kompensator 122 umfasst eine thermoelektrische Heizeinrichtung 124 in Kontakt mit der Plattenanordnung 46, um die Plattenanordnung 46 zu erwärmen. Vorzugsweise weist die thermoelektrische Heizeinrichtung 124 einen thermischen Mantel auf, der vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Plattenanordnung 46 einkapselt.
Die Heizeinrichtung 124 wird durch eine Schaltung 126 kontrolliert, die vorzugsweise eine Steuereinheit 128 in Verbindung mit einem Sensor bzw. Fühler 130 aufweist, der die Temperatur der Umgebung, die die Plattenanordnung 46 umgibt, fühlt. Die Steuereinheit 128 kann, zum Beispiel, eine programmierbare Steuereinheit sein, und der Fühler 130 kann, zum Beispiel, ein Thermoelement, ein Thermistor, oder dergleichen, sein. Elektrische Energie wird zu der Schaltung 126 von einer Quelle zugeführt, die die Spannungsquelle, V, sein kann.
Vorzugsweise wird der Steuereinheit 128 ein Signal von dem Fühler 130 zugeführt, das für die Umgebungstemperatur repräsentativ ist, und reguliert einen Stromfluss entsprechend zu der Heizeinrichtung 124, um dabei zu helfen, die Temperatur der Plattenanordnung 46 relativ konstant bei einer erwünschten Temperatur zu halten. Falls es erwünscht ist, kann ein anderer Temperaturfühler in Verbindung mit der Plattenanordnung 46 eine Rückführung zu der Steuereinheit 128, und zwar in Bezug auf die tatsächliche Temperatur der Plattenanordnung 46, liefern. Eine solche Rückführung kann auch dazu verwendet werden, einen Stromfluss zu der Heizeinrichtung 124 zu regulieren.
In einem anderen, bevorzugten Kompensatorschema, kann die Steuereinheit 128 die Spannung, angelegt an die Anschlüsse 84 und 86 der 8, in Abhängigkeit der erfassten Umgebungstemperatur, ebenso wie in Abhängigkeit der erfassten Temperatur der Plattenanordnung, regulieren. Eine Durchsichtstabelle kann dazu verwendet werden, die Spannung in Abhängigkeit der erfassten Temperatur zu regulieren.
10 stellt eine andere, bevorzugte Ausführungsform des Strahlablenkers 40a dar, die dazu verwendet wird, ein Strahlbeugungsrauschen während eines Betriebs des Ablenkers 40a zu verringern. Um ein Beugungsrauschen zu verringern, verwendet der Ablenken 40a ein positives Mikrolinsenfeld 132, das zwischen der Quelle jedes Strahls 50 und der Platte 46 angeordnet ist, und ein negatives Mikrolinsenfeld 134, das hinter der Platte 46 angeordnet ist. Das positive Mikrolinsenfeld 132 weist eine Mehrzahl von Paaren von angrenzenden, konvexen Linsen, angeordnet in der Form des Felds 132, dargestellt in 11, auf. Das negative Mikrolinsenfeld 132 weist eine Mehrzahl von Paaren von angrenzenden, konkaven Linsen, angeordnet so, um das Feld 134, dargestellt in 10 zu bilden, auf. Das positive Mikrolinsenfeld 132 verringert ein Beugungsrauschen durch Fokussieren jedes Strahls 50 so, dass er die Ecken des Prismas 42 vermeidet, und die negative Mikrolinse 134 kollimiert oder spreizt den Strahl 50 heraus, nachdem er durch die Platte 46 hindurchgelaufen ist.
11 stellt eine noch andere bevorzugte Ausführungsform des Strahlablenkers 40b dar, wobei das negative Mikrolinsenfeld 134 zwischen dem positiven Mikrolinsenfeld 132 und der Platte 46 angeordnet ist. Dieser Ablenker 40b verringert auch in vorteilhafter Weise ein Beugungsrauschen. Vorzugsweise sind die Strahlablenker 40a und 40b von einem Mikroapertur-Flüssigkristall-Mikroprismenfeld-Aufbau.
12 stellt eine noch andere, bevorzugte Ausführungsform des Strahlablenkers 40c dar, der ein Beugungsrauschen verringert. Der Strahlablenker 40c ist ein aperiodisches Flüssigkristall-Mikroprismenfeld, das Prismen 42 besitzt, die jeweils dieselbe Teilung, allerdings eine unterschiedliche Breite, d₁, d₂, d₃, d₄ und d₅, haben. Vorzugsweise wird die Folge der Prismen-Breiten durch das Feld 44 hinweg wiederholt. Die Summe der Prismen-Breiten, d₁ + d₂ + d₃ + d₄ + d₅, ist größer, vorzugsweise viel größer, als die Wellenlänge des Strahls 50. Vorzugsweise ist die Summe der Prismen-Breiten mindestens ungefähr 100-mal der Wellenlänge des Strahls 50. Als Folge dieses Aufbaus ist eine Beugung bzw. Brechung nahezu vernachlässigbar.
Wie die 1, 2 und 13 zeigen, ist, im Betrieb, wenn keine Elektrizität an die Anschlüsse 84 und 86 angelegt ist, der Brechungsindex, n_ic, jedes Prismas 48 mit variablem Brechungsindex größer als der Brechungsindex, n_poly, seines benachbarten Prismas 42, wobei der Strahl 50 in der Art und Weise abgelenkt wird, wie dies in 2 dargestellt ist, so dass der Ausgangsstrahl 50', der die Platte 46 verlässt, unter einem spitzen Winkel, α, relativ zu dem Einfallsstrahl 50 verläuft. Wie in 2 dargestellt ist, ist die Differenz zwischen n_ic und n_poly die größte dann, wenn die Elektrizität abgeschaltet ist, und der Winkel des Strahls 50, der abgelenkt ist, α, bei einem Maximum, α_max, ist. Um ein α_max von mindestens ungefähr 30° zu erreichen, beträgt die Elektrizitäts-Aus-Differenz zwischen n_ic und n_poly mindestens ungefähr 0,15, und vorzugsweise mindestens ungefähr 0,2.
Wenn Elektrizität an die Anschlüsse 84 und 86 angelegt ist, verringert sich der Brechungsindex, n_ic, des Prismas 48, was bewirkt, dass sich der Ablenkwinkel, α, auch verringert. Wenn Elektrizität an die Anschlüsse 84 und 86 angelegt wird, wird Elektrizität zu jeder leitenden Schicht 82 und 102 zugeführt, was zu einem Ansteigen eines elektrischen Felds führt, das sich zwischen den Schichten 82 und 102 und über jedes der Prismen 48 erstreckt. Wenn sich die Größe der Elektrizität, d. h. der Spannung, erhöht, erhöht sich der Ablenkwinkel, α, bis er sich 0° annähert oder 0° erreicht, wie dies in 2 dargestellt ist. Wenn die angelegte Spannung erhöht wird, verringert sich n_ic, bis es sich n_poly annähert oder gleich dazu ist. Wenn n_ic ≈ n_poly gilt, ist α ≈ 0°, und der Strahl 50 führt vorzugsweise gerade durch die Platte 46, ohne dass er abgelenkt wird, hindurch. In einer bevorzugten Ausführungsform ist α 0°, wenn n_ic ≈ n_poly ≈ 1,5 gilt. Wie 7 zeigt, kann, wenn die Spannung weiter über den Wert hinaus erhöht wird, bei dem α den Wert 0° hat, der Strahl 50 tatsächlich in einer entgegengesetzten Richtung abgelenkt werden, so dass der Wert des Ablenkwinkels, α, negativ ist. Durch selektives Kontrollieren, wie viel Spannung an die Anschlüsse 84 und 86 der Platte 46 angelegt wird, kann der Ablenkwinkel, α, des Strahls 50, wenn er durch die Platte 46 hindurchführt, präzise gesteuert werden, vorzugsweise innerhalb ungefähr 0,5 Milliradian. Genauer gesagt kann der Ablenkwinkel, α, des Strahls 50 durch eine Steuerschaltung so gesteuert werden, um präzise eine Spannung an Anschlüsse 84 und 86 anzulegen, um den Strahl 50 innerhalb ungefähr 0,5 Milliradian des erwünschten Ablenkwinkels abzulenken. Vorzugsweise kann die Spannung auch selektiv so angelegt werden, um in der Lage zu sein, den Strahl 50 in Winkelerhöhungen, bis zu ungefähr 0,5 Milliradian klein, abzulenken.
13 stellt die Ausrichtung von Molekülen 136 des Materials mit variablem Brechungsindex dar, wenn keine Spannung an das Prisma 48 angelegt wird. Weiter ist in 13 ein Lichtstrahl 50, polarisiert in der Richtung senkrecht zu der Papierebene, auf die vordere Fläche 90 des Prismas 48 mit variablem Brechungsindex auftreffend, auf dem Moleküle 136 aus dem Material mit variablem Brechungsindex an der Fläche 90 im Wesentlichen parallel zu der Lichtpolarisation ausgerichtet sind, auftrifft. Die Moleküle 136 an der Fläche 92, die einen Teil der Zwischenfläche zwischen dem angrenzenden Paar von Prismen 42 und 44 ebenso wie die Moleküle (nicht dargestellt) innerhalb des Prismas 48 zwischen den Flächen 90 und 92 bilden, sind auch in derselben Richtung ausgerichtet. Einfallendes Licht erfährt dann einen optischen Brechungsindex, n_ic, in dem Prisma 48 mit variablem Brechungsindex. Licht, das durch die Platte 46 hindurchführt, wird auch entsprechend dem Gesetz nach Snell abgelenkt: nic*sinθ1 = npoly*sinθ2
Allerdings richten sich, wenn die Spannung, die größer als eine Schwellwertspannung, V_th, von ungefähr 1–2 Volt ist, über ein Paar von angrenzenden Prismen 42 und 48 angelegt wird, die Moleküle des Prismas 48 im Wesentlichen entlang der Richtung des elektrischen Felds aus, das zwischen den leitenden Schichten auf jeder Seite des Prismas 48 erzeugt wird, typischerweise Schichten 82 und 102. Nur eine dünne Schicht aus Molekülen 136 auf den Flächen 90 und 92 orientiert sich nicht in einer Richtung entlang des elektrischen Felds um. In 13 verläuft die Richtung der Flusslinien 137 des elektrischen Felds im Wesentlichen senkrecht zu der Papierebene. Das bedeutet, dass sich die Flusslinien 137 aus dem Papier heraus und parallel zu der Längsrichtung des Prismas 48 erstrecken. Die Moleküle 136 verbleiben typischerweise in der Richtung eines Reibens bzw. Einschleifens während der Herstellung orientiert. Allerdings besitzt diese dünne Schicht aus Molekülen 136 einen vernachlässigbaren Effekt in Bezug auf den Lichtstrahl 50, wenn er durch die Prismen 42 und 48 hindurchführt, die allgemein ignoriert werden können.
Wenn eine relativ hohe Spannung, die höher als V_th ist, angelegt wird, ergibt sich ein Brechungsindex n_ico, der einen Ablenkwinkel, θ₂, an der Zwischenfläche zwischen dem Prisma 48 und dem Prisma 42 erzeugt, folgende Gleichung erfüllend: nico*sinθ1 = npoly*sinθ2
Wenn die angelegte Spannung zwischen 0 Volt und der Sättigungsspannung, V_sat, für die Prismen 42 und 48 liegt, hängt der Brechungsindex n_ic, von der Orientierung der Moleküle des Materials mit variablem Brechungsindex und der Richtung der Lichtpolarisation ab, so dass gilt:
Wobei
(Richtung des elektrischen Felds) die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls 50 ist, und ň (molekulare Orientierung) der Direktor des Materials mit variablem Brechungsindex ist. Da der Direktor eine Funktion der Position ist, variiert der Brechungs index von Punkt zu Punkt. Gerade an einem gegebenen Punkt variiert der Index mit der Richtung der Lichtstrahlpolarisation. Der effektive Brechungsindex, n_eff, kann ausgedrückt werden als:
wobei β der Winkel zwischen der Richtung des elektrischen Felds und der Orientierung des molekularen Felds ist.
III. Herstellverfahren
Bei dem Herstellen einer Plattenanordnung oder Zelle 46 besteht die Plattenanordnung 46 aus einem vorderen Substrat 68, einer Schicht 88 aus einem Material 48, das einen variablen Brechungsindex besitzt, der selektiv variiert werden kann, einem Feld 44 oder Prismen 42, aufgebaut aus einem Material, das vorzugsweise einen im Wesentlichen konstanten Brechungsindex hat, und einem hinteren Substrat 70. Beim Herstellen der Plattenanordnung 46, dargestellt in 2, ist das hintere Substrat 70 mit der leitenden Schicht 82 beschichtet, und das Feld 44 oder die Prismen 42, vorzugsweise Mikroprismen 42, sind auf die Oberseite der Schicht 82 und das Substrat 70 eingeprägt. Mit dem Abstandsteil 105 zwischen den zwei Substraten 68 und 70 platziert, werden die Substrate 68 und 70 zusammengebracht, und Material mit variablem Brechungsindex wird zwischen die Substrate 68 und 70 eingebracht, um die Leerstellen, erzeugt zwischen dem Feld 44 und dem Oberseitensubstrat 70, aufzufüllen. Wenn die Leerstellen mit dem Material mit variablem Brechungsindex aufgefüllt sind, ist eine Herstellung der Zelle oder der Plattenanordnung 46 abgeschlossen.
Wie die 14 und 15 zeigen, wird, damit die Plattenanordnungen 46 im großen Maßstab hergestellt werden können, eine Master-Einheit 138 vorzugsweise zur Verwendung eines Einprägens der Prismen 42 auf dem Substrat 70 aufgebaut. 14 zeigt einen Rohling 140, der zu der Master-Einheit 138, dargestellt in 15, gemacht werden soll. Der Rohling 140 besteht aus einem Substrat 142, das eine Zwischenschicht 144 und eine Energiestrahlresistschicht 146 tragen kann.
Das Substrat ist vorzugsweise aus Glas, wie beispielsweise Quarzglas, Siliziumdioxid, Borsilikat, oder dergleichen, aufgebaut. Die Zwischenschicht 144 ist vorzugsweise aus ITO, Chrom oder einem anderen, geeigneten, reflektiven Material aufgebaut. Die Strahlresistschicht 146 ist aus einem Material aufgebaut, das unter Verwendung eines Energiestrahls 148, der vorzugsweise ein Elektronenstrahl, ein Ionenstrahl oder ein anderer Strahl ist, der eine geeignet hohe Energiedichte hat, so dass er einen Teil der Schicht 146 beim Auftreffen, Verdampfen oder in anderer Weise selektiv entfernen kann, geätzt werden kann.
Vorzugsweise ist die Schicht 146 aus einem Ionenstrahlresist, wie beispielsweise Polymethyl Methacrylat (PMMA), hergestellt, so dass einer oder mehrere Strahlen) 148, erzeugt durch einen Emitter (nicht dargestellt), während einer Direkt-Schreib-Elektronenstrahl-Lithographie, gegen die Schicht 146 auftreffen kann, um das erwünschte dreidimensionale Master-Relief-Muster 154 zu erzeugen. Vorzugsweise bestimmt die Intensität oder die Dauer einer Belichtung der Schicht 146 mit dem Strahl oder dem Strahl 148, wie tief jeder Bereich der Schicht 146 geätzt wird.
Beim Herstellen der Master-Einheit 138, wie dies in 14 dargestellt ist, wird der Rohling 140 mit mindestens einem Strahl 148 und vorzugsweise einer Mehrzahl von Paaren von Strahlen 148 bestrahlt, die jeweils einen Teil der Schicht 146 wegätzen können. Wenn das Bestrahlen abgeschlossen ist, wie dies in 15 dargestellt ist, erzeugt das Ätzen ein Reliefmuster 154, das aus einer Mehrzahl von Paaren von aufrecht stehenden und im Wesentlichen dreieckförmigen Stegen 150 aufweist, die im Wesentlichen dreieckförmige Furchen oder Leerstellen 152 zwischen angrenzenden Stegen 150 darstellen, die komplementär zu den Prismen 42 des Felds 44, das in erwünschter Weise darin gebildet werden soll, sind.
In einem anderen, bevorzugten, ähnlichen Herstellverfahren ist der Rohling 140 vorzugsweise aus einem Glas, das vorzugsweise eine Quarzzusammensetzung ist, aufgebaut. Ein Ionenstrahl bildet das erwünschte, dreidimensionale Reliefmuster 154 in dem Glasrohling, der danach als die Master-Einheit 138 dient. Vorzugsweise kann eine solche Master-Einheit dazu verwendet werden, Kopien des Prismenfelds 44, vorzugsweise zusammen mit dem Substrat 70, unter Verwendung eines Spritzformens mit einer hohen, optischen Güte oder unter Verwendung eines Fotopolymers, herzustellen.
Die Master-Einheit 138, dargestellt in 15, kann tatsächlich eine Untermaster-Einheit aufweisen, die mit anderen zusammengeheftet oder in anderer Weise verbunden ist, um eine viel größere Master-Einheit zu erzeugen. Zum Beispiel können dort, wo die Untermaster-Einheit 138 Dimensionen von 1 Zentimeter (cm) mal 1 cm besitzt, mehrere Untermaster-Einheiten 138 entlang einer oder mehrerer Kante(n) zusammengeheftet oder miteinander verbunden werden, um ein Feld aus Untermaster-Einheiten zu erzeugen, das eine viel größere Master-Einheit bildet, die bis zu 7,5 cm mal 7,5 cm, oder sogar noch größer, sein kann. Wenn ein Heften oder dergleichen verwendet wird, um Untermaster-Einheiten miteinander zu verbinden, sind irgendwelche sich ergebenden Diskontinuitäten, wo die Untermaster-Einheiten 138 miteinander verbunden sind, vorzugsweise nicht größer als ungefähr 0,1 μm.
Auf diese Art und Weise kann eine größere Master-Einheit zum Herstellen von Plattenanordnungen 46, die relativ groß sind, hergestellt werden. Zum Beispiel können, während Plattenanordnungen 46, die 1 cm mal 1 cm sind, für einige Anwendungen geeignet sein, Plattenanordnungen, die 3 cm mal 3 cm sind, für andere Anwendungen geeignet sein, und Plattenanordnungen, die 7,5 cm mal 7,5 cm sind, können für noch andere Anwendungen geeignet sein. Falls erwünscht, können Master-Einheiten, verwendet dazu, die Plattenanordnungen zu replizieren, allgemein rechtwinklig geformt sein, wie dies dargestellt ist, allgemein kreisförmig geformt sein, oder sie können in anderer Weise in unterschiedlichen Konfigurationen geformt sein.
Wie 16 zeigt, wird die Master-Einheit 138, dargestellt in 15, vorzugsweise dazu verwendet, eine andere Master-Einheit 146, die vorzugsweise einteilig vorliegt, und von einem einheitlichen Aufbau ist, herzustellen, und die aus einem Fotopolymer aufgebaut ist. Die Fotopolymer-Master-Einheit 156 wird dann dazu verwendet, eine Hälfte 158 der Plattenanordnung 46, wie beispielsweise die hintere Hälfte 158, dargestellt in 4, zu replizieren. Bevor dies vorgenommen wird, wird die Platte bzw. Fläche 70 mit einer leitfähigen Schicht 82 beschichtet und wird vorzugsweise auch mit einer Ausrichtungsschicht 80 beschichtet. Danach wird die Fläche 70 angrenzend an die Master-Einheit 156 positioniert und eine kleine Menge eines härtbaren Materials 160, typischerweise nur ein Tropfen oder zwei, wird zwischen die Fläche 70 und die Master-Einheit 156 zwischengefügt. Das härtbare Material 160 ist vorzugsweise eine Flüssigkeit, die in die Leerstellen zwischen den Stegen der Master-Einheit 156 fließt. Das härtbare Material 160 härtet dann, um im Wesentlichen einer Form komplementär zu der Master-Einheit 156 zu entsprechen, um dadurch integral ein Feld 44 auf der Fläche 70 zu bilden.
Wie 17 zeigt, wird das härtbare Material 160 vorzugsweise unter Verwendung von Licht 162, das vorzugsweise ultraviolettes Licht ist, gehärtet. Nachdem das Härten abgeschlossen ist, wird die Plattenanordnungshälfte 158 von der Master-Einheit 156 entfernt, und die Master-Einheit 156 ist wieder bereit, dazu verwendet zu werden, eine andere Plattenanordnungshälfte 158 herzustellen. 18 stellt die fertiggestellte Plattenanordnungshälfte 158 dar, nachdem sie von der Master-Einheit 156 entfernt worden ist.
Ein Beispiel eines bevorzugten, härtbaren Materials 160, geeignet dazu, in der vorstehend beschriebenen Art und Weise geformt zu werden, ist Norland NOA 72 Epoxidharz, das die nachfolgenden, typischen Eigenschaften, aufgelistet vorstehend in Tabelle 1, besitzt. Beim Herstellen eines quadratischen Felds 44 mit 3 Inch mal 3 Inch aus Prismen 42, die jeweils nicht dicker als ungefähr 10 μm bis ungefähr 20 μm sind, wird nur ein Tropfen oder werden zwei Tropfen des NOA 72 Epoxidharz 160 benötigt. Ein wünschenswertes Merkmal von NOA 72 Epoxidharz ist dasjenige, dass es nur ultraviolettes Licht erfordert, um zu härten, und nicht irgendwelche Wärme erfordert, wodurch Spannungen aufgrund von Wärme vermieden werden. NOA 72 ist auch wünschenswert, da es ausgezeichnete Lichttransmissionscharakteristika, größer als 95%, über einen weiten Bereich von Wellenlängen, die von 450 Nanometern (nm) bis 3 μm reichen, besitzt. Zusätzlich besitzt NOA 72 eine ausgezeichnete, thermische Stabilität über einen weiten Temperaturbereich von –40° C bis 110°C, und ist für Militäroptiken und -anwendungen geeignet.
Wie 19 zeigt, wird in Vorbereitung der Herstellung des Materials mit variablem Brechungsindex zu Prismen 48, eine Schicht 164 eines Verankerungsmaterials über der Schicht 102 aus leitfähigem Material aufgebracht. Das Verankerungsmaterial 164 ist vorzugsweise dünn und vorzugsweise nicht größer als ungefähr ein paar tausend Ångström (Å) dick. Die Verankerungsschicht hilft vorzugsweise dabei, das Material mit variablem Brechungsindex an der Fläche 68 zu verankern. Die Schicht 164 hilft vorzugsweise dabei, zumindest einige der Moleküle des Materials mit variablem Brechungsindex auszurichten.
Ein bevorzugtes Verankerungsmaterial ist DuPont PI2555 Polyimid, das vorzugsweise auf die Oberseite der leitfähigen Schicht 102 durch Schleuderbeschichten aufgebracht wird. Nach dem Schleuderbeschichten wird die Verankerungsschicht 164 vorzugsweise eingebrannt, um dabei zu helfen, sie an der leitfähigen Schicht 102 anzubonden. Danach wird die Schicht 164 geschliffen, um Taschen in der Schicht 164 zu bilden, in de nen Moleküle aus Material mit variablem Brechungsindex aufgenommen und ausgerichtet werden.
Während der Schleuderbeschichtung erzeugt eine Schleuderrate von ungefähr 3000 Umdrehungen pro Minute vorzugsweise eine Schicht 164 des Verankerungsmaterials, die ungefähr 2000 Å dick ist. Während eines Einbrennens wird die Schicht 164 bei einer Temperatur von ungefähr 275° C für ungefähr eine Stunde eingebrannt. Nach dem Einbrennen wird die Schicht 164 vorzugsweise unidirektional unter Verwendung von Schleifvlies von Yoshikawa mit dem Handelsnamen „Finepuff", oder dergleichen, geschliffen, um Nuten bzw. Vertiefungen in der Schicht 164 zu bilden, in denen das Material mit variablem Brechungsindex eingeschlossen und ausgerichtet wird, wenn das Material mit variablem Brechungsindex auf die Fläche 68 aufgebracht wird.
Wie die 20–24 zeigen, können die freigelegten Flächen 56 und 60 jedes der Prismen 42 des Felds 44 auch so geschliffen werden, um Moleküle des Materials mit variablem Brechungsindex auszurichten, wenn das Material mit variablem Brechungsindex aufgebracht wird. Als Folge dieses Schleifens wird eine Ausrichtung der Moleküle des Materials mit variablem Brechungsindex weiter verbessert.
Wie in den 20 und 21 dargestellt ist, kann ein Schleifen entlang der Längsrichtung jedes der Prismen 42 und entlang derselben Richtung auf der Verankerungsschicht 164 auf der Fläche 68 durchgeführt werden, um eine parallele oder n-Zelle zu bilden. Wie die 22 zeigt, können die Prismen 42 quer zu der Längsrichtung geschliffen werden und die Verankerungsschicht 164 wird in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Prismenschleifrichtung geschliffen, um eine gekreuzte Zelle zu bilden. Wie 23 zeigt, können die Prismen 42 und die Verankerungsschicht 164 in entgegengesetzten Richtungen geschliffen werden, um eine antiparallele Zelle zu bilden.
Wie 24 zeigt, ist die vordere Fläche 68 über dem Feld 44 der Prismen 42 und der hinteren Fläche 70, mit dem Abstandsteil 105 die Flächen 68 und 70 voneinander beabstandend, positioniert. Mit den Flächen 68 und 70 voneinander beabstandet wird ein Hohlraum zwischen den Prismen 42, dem Abstandsteil 105 und der vorderen Fläche 68 belassen. Die gesamte Anordnung wird in eine Behälterausnehmung eines Vakuumofens 166 platziert und ein Vakuum wird in den Hohlraum eingeführt, um zu bewirken, dass das Material mit variablem Brechungsindex in den Hohlraum hineingezogen wird. Vorzugsweise wird die Temperatur des Vakuumofens 166 so kontrolliert, um eine gute, anfängliche Ausrichtung des Materials mit variablem Brechungsindex zu erreichen. Vorzugsweise arbeitet der Ofen 166 bei einer Temperatur weit in der isotropen Phase des Materials mit variablem Brechungsindex, um ein Feld 88 aus Prismen 48 zu erhalten, die eine gute Gleichförmigkeit haben. Nachdem der Hohlraum gefüllt ist, wird die fertig gestellte Plattenanordnung oder Zelle 46 aus der Behälterausnehmung herausgenommen und das Vakuum wird aufgehoben, so dass die Plattenanordnung 46 von dem Ofen 166 entnommen werden kann.
Wenn die Master-Einheit 156 von der Master-Einheit 138 hergestellt ist, werden die folgenden Schritte vorzugsweise beim Herstellen der Master-Einheit 156 durchgeführt. Zuerst wird eine Nickel- oder Kupfer- Master-Einheit gedreht, unter Verwendung eines bestimmten Diamants, um ein spezifisches Seitenverhältnis zu erzeugen. Als nächstes werden die Strukturen von der Nickel- oder Kupfer- Master-Einheit auf eine plastische Untermaster-Einheit über Kompressions- oder Spritzformen übertragen. Als drittes wird eine Gummi-Untermaster-Einheit 156 von der Kunststoff-Untermaster-Einheit erzeugt. Schließlich wird die prismatische Endstruktur auf die Master-Einheit 156 durch mehrere Replikationen mit ultraviolettem Licht aufgebracht, so dass die prismatische Struktur einen erwünschten Winkel und ein erwünschtes Seitenverhältnis besitzt.
IV. Zweidimensionaler Strahlablenker
Die 25–27 stellen einen zweidimensionalen Strahlablenker 52 dar, der ein Paar von Zellen oder Plattenanordnungen 46a und 46b, orthogonal zueinander, besitzt, so dass ein Strahl 50, der durch die erste Plattenanordnung 46a hindurchführt, in einer Richtung abgelenkt werden kann, und durch die zweite Plattenanordnung 46b hindurchführt, in einer anderen Richtung abgelenkt werden kann. Auf diese Art und Weise können Photonen eines Strahls 50, der durch den Ablenken 52 hindurchführt, eindimensional oder zweidimensional abgelenkt werden, und können deshalb selektiv ähnlich so gerichtet werden, wie eine Elektronenkanone Elektronen in einer Fernsehbildröhre richtet.
Wie in den 25–27 dargestellt ist, sind die Plattenanordnungen 46a und 46b so orientiert, dass die Prismen 42 der Plattenanordnung 46a derart gekreuzt sind, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu den Prismen der Plattenanordnung 46b liegen. Zwischen den zwei gekreuzten Plattenanordnungen 46a und 46b ist eine relativ dünne, verdrillte, nematische Flüssigkristallplatte 168 vorhanden, die als ein Polarisationsrotator arbeitet. Der Polarisationsrotator 168 dreht vorzugsweise die Polarisation des Strahls 50, nachdem er durch die erste Plattenanordnung 46a hindurchführt, so dass er geeignet polarisiert ist, bevor er durch die zweite Plattenanordnung 46b hindurchführt. Vorzugsweise dreht der Polarisationsrotator 168 die Polarisation des Strahls 50 um 90°.
Alle diese Schichten 46a, 168 und 46b werden sandwichartig zusammengefügt, um einen Ablenken 52 zu bilden, der einteilig, einheitlich und von einem monolithischen Aufbau ist. Vorzugsweise ist die Querschnittsdicke des Ablenkers 52 nur ein paar Millimeter dick. Vorzugsweise ist die Querschnittsdicke nicht größer als zehn Millimeter.
Wie in 25 dargestellt ist, wird ein Strahl 50, der durch die erste Plattenanordnung 46a hindurchführt, unter einem Winkel, α₁, abgelenkt, der spitz relativ zu der Richtung des ankommenden Strahls 50 ist, und der in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Prismas 42 der Plattenanordnung 46a abgelenkt wird, wenn er dort hindurchführt. Nachdem die Polarisation durch den Polarisationsrotator 168 geändert ist, wird der einmal abgelenkte Strahl 50' weiter abgelenkt, wenn er durch die zweite Plattenanordnung 46b hindurchführt. Wenn der Strahl 50' durch die zweite Plattenanordnung 46b hindurchführt, wird er unter einem Winkel, α₂, abgelenkt, der spitz relativ zu der Einfallsrichtung ist, und der in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Prismas 42 der Plattenanordnung 46b abgelenkt wird, wenn er dort hindurchführt. Nachdem er durch die zweite Plattenanordnung 46b abgelenkt ist, tritt der zweimal abgelenkte Strahl 50" von der zweiten Plattenanordnung 46b aus.
Auf diese Art und Weise kann ein einzelner Strahl 50 sowohl horizontal als auch vertikal abgelenkt werden, wenn er durch den Strahlablenker 52 hindurchführt, oder nur horizontal, oder nur vertikal. Zusätzlich kann eine Mehrzahl von Paaren von Strahlen 50 im Wesentlichen gleichzeitig sowohl horizontal als auch vertikal abgelenkt werden, wenn sie im Wesentlichen gleichzeitig durch den Strahlablenker 52 hindurchführen, oder nur horizontal, oder nur vertikal. Zum Beispiel zeigt 25 den Ablenker 52, wie er einen einzelnen Strahl 50 sowohl horizontal als auch vertikal ablenkt. 26 zeigt den Ablenker 52, wie er eine Mehrzahl von Paaren von Strahlen 50 gleichzeitig nur in der vertikalen Richtung, d. h. in der Y-Richtung, ablenkt. 27 zeigt den Ablenker, der eine Mehrzahl von Paaren von Strahlen 50 gleichzeitig nur in der horizontalen Richtung, d. h. in der X-Richtung, ablenkt. Durch selektives Kontrollieren einer Strahlablenkung in jeder Dimension kann der Ablenker 52 tatsächlich einen einzelnen Strahl 50 oder mehrere Strahlen 50 nach oben und nach unten und nach hinten und nach vorne abtasten, um ein Objekt, an geordnet unter einem Abstand entfernt von dem Ablenker 52, abzutasten. In vorteilhafter Weise wird jeder Strahl 50 abgelenkt, ohne den Ablenker 52 zu bewegen.
Jede Plattenanordnung 46a und 46b ist mit einer separaten Elektrizitätsquelle, V₁ und V₂, verbunden, so dass jede geeignet ist, variiert zu werden, um so unabhängig den Ablenkwinkel der bestimmten Plattenanordnung 46a und 46b zu variieren. Falls es erwünscht ist, kann der Strahlablenker 52 ohne eine Fläche 70 der Plattenanordnung 46a und ohne eine Fläche 68 der Plattenanordnung 46b aufgebaut sein.
Die 28 und 29 stellen schematische Darstellungen einer Schaltung, geeignet dazu, unabhängig die Spannung, angelegt an die Plattenanordnungen 46a und 46b, zu kontrollieren, dar, um so die Ablenkung eines Strahls 50, der durch den Ablenker 52 hindurchführt, in zwei Dimensionen zu kontrollieren, wie beispielsweise den X- und Y-Dimensionen. Wie 28 zeigt, wird der Ablenker 52 durch einen Computer 170 gesteuert, der mit einer Schnittstellensoftware 172 zusammenarbeitet, um die Verwendung einer Durchsichtstabelle 174 für die angelegte Spannung, verwendet durch einen X-Scanner-Treiber 176 und einen Y-Scanner-Treiber 178, zu koordinieren, um den Strahl 50 relativ präzise abzulenken, wenn er durch den Ablenker 52 hindurchführt. Der X-Scanner-Treiber 176 ist für ein präzises Ablenken des Strahls 50 in der X-Richtung verantwortlich und der Y-Scanner-Treiber 178 ist für ein Ablenken des Strahls 50 in der Y-Richtung verantwortlich.
Zum Beispiel steuert der X-Scanner-Treiber 176, wie viel Spannung von der Quelle, V₁, an die Plattenanordnung 46a angelegt wird, um präzise den Strahl 50 unter einem erwünschten Winkel, α₁ oder α_x, abzulenken, wenn er durch die Plattenanordnung 46a hindurchführt. Zusätzlich steuert der Y-Scanner-Treiber 178, wie viel Spannung von der Quelle, V₂, an die Plattenanordnung 46b angelegt wird, um präzise den einmal abgelenkten Strahl 50' unter einem erwünschten Winkel, α₂ oder a_y, abzulenken.
Vorzugsweise bewirkt, für einen gegebenen Satz von erwünschten Ablenkwinkeln, α_x, a_y, angewiesen durch den Computer 170, die Software 172, dass auf die Durchsichtstabelle 174 zugegriffen wird, um den geeigneten Spannungswert für jeden Treiber 176 und 178 auszuwählen, der die erwünschten Ablenkwinkel, α_x, α_y, erreicht. Die geeigneten Spannungswerte werden als eine Referenz durch jeden Treiber 176 und 178 verwendet, um die Ausgangsspannung zu deren Plattenanordnung 46a und 46b zuzuführen, um den geeigneten Spannungswert anzupassen.
Eine beispielhafte Schaltung 180 zum schnittstellenmäßigen Verbinden mit dem Ablenker 52, um zu bewirken, dass der Ablenker 52 einen Strahl 50 nach oben und nach unten und nach hinten und nach vorne in einem vorbestimmten Muster abtastet, ist in 29 dargestellt. Vorzugsweise wird die Scanner-Schaltung 180 durch ein elektronisches Hochgeschwindigkeitssteueruntersystem, umgesetzt auf dem Gebiet von programmierbaren Gate-Arrays (nicht dargestellt), angesteuert.
Der geeignete Spannungspegel für jede Plattenanordnung 46a und 46b wird digital durch einen X-Zähler 182 und einen Y-Zähler 184 erzeugt, die jeweils vorzugsweise von einem Aufbau mit 10-Bit sind. Der geeignete Spannungspegel wird vorzugsweise in Abhängigkeit der erwünschten X- und Y-Ablenkwinkel, α_x, α_y, zugeführt von einem Computer, wie beispielsweise dem Computer 170, erzeugt. Die X-Durchsichtstabelle 186 und die Y-Durchsichtstabelle 188, vorzugsweise gespeichert in einem Speicher, kompensieren jeweils das nicht-lineare Ansprechverhalten einer Spannung, gezeigt durch das Material mit variablem Brechungsindex, z. B. dem Flüssigkristallmaterial 48. Ein Beispiel eines solchen nicht-linearen Ansprechverhaltens ist in 7 dargestellt. Jede Durchsichtstabelle 186 und 188 ist vorzugsweise in einer integrierten SDRAM Schaltung gespeichert, kann allerdings auf einer anderen Speichervorrichtung gespeichert sein. Jede Durchsichtstabelle 186 und 188 kommuniziert auch jeweils mit einer koeffizienten Tabelle, enthalten in einer anderen Speichervorrichtung 190 und 192, die vorzugsweise ein EEPROM oder dergleichen ist. Der Ausgang von jeder Durchsichtstabelle 186 und 188 wird jeweils durch einen Digital-Analog-Wandler 194 und 196 umgewandelt, der vorzugsweise auch von einem Aufbau mit 10-Bit ist. Der analoge Spannungsausgang von jedem Wandler 194 und 196 wird vorzugsweise gepuffert und verstärkt, bevor er an die Anschlüsse 84 und 86 der jeweiligen Plattenanordnung 46a und 46b angelegt wird.
Unter Verwendung einer solchen Schaltung kann ein Strahl 50 oder können mehrere Strahlen 50 nach oben und nach unten und nach hinten und nach vorne mehrere tausend Mal pro Sekunde abgetastet werden. Vorzugsweise kann ein Strahl 50 oder können mehrere Strahlen 50 in einem sich wiederholenden, vorbestimmten Muster zumindest bis zu 10 Kilohertz schnell abgetastet werden.
V. Abtasteinrichtung
30 stellt eine Scanner- bzw. Abtasteinrichtungsanordnung 198 dar, die den zweidimensionalen Strahlablenker 52 verwendet. Die Anordnung 198 besitzt einen Emitter 200, von dem zumindest ein Strahl 50 emittiert wird. Der Strahl 50 wird vorzugsweise zu einer Strahl-Direktor-Anordnung 202 emittiert, die ein Paar von voneinander beabstandeten Spiegeln 204 und 206 aufweist, die ermöglichen, dass der Emitter 200 seitlich einen Abstand von der Rückseite des Ablenkers 52 beabstandet sein kann. Der Strahl 50 wird durch den Ablenker 52 gerichtet, wo eine Schaltung, wie beispielsweise die Schaltung, dargestellt in den 28 und 29, zweidimensional den Strahl 50" so ablenkt, um ein Objekt 208, angeordnet unter einem Abstand von dem Ablenker 52, abzutasten.
Ein solches Objekt 208 besitzt vorzugsweise eine zweidimensionale oder dreidimensionale Oberfläche oder Kontur, die mit dem Strahl 50" abgetastet wird. Der Strahl 50'', der gegen das Objekt 208 trifft, bewirkt, dass ein Strahl oder mehrere Strahlen 210 zu einem Detektor 212 hin reflektiert werden, der vorzugsweise die Strahlen 210 aufnimmt. Der Detektor 212 steht vorzugsweise in Verbindung mit einem Analysierer (nicht dargestellt), der dazu geeignet ist, die reflektierten Strahlen 212 für einen bestimmten Zweck zu analysieren. Vorzugsweise umfasst ein solcher Analysierer mindestens einen Prozessor, eine digitale Schaltung und eine Software, geeignet dazu, die reflektierten Strahlen 210 für den Zweck eines Extrahierens von Informationen davon oder zum Erzeugen eines Bilds zu analysieren. Andere Typen einer Analyse können in Bezug auf die reflektierten Strahlen 210 durchgeführt werden, falls dies erwünscht ist.
Objekte 208 können auf diese Art und Weise abgetastet werden, einschließlich des Abtastens von zweidimensionalen und dreidimensionalen Objekten. Nur ein paar Beispiele einiger Objekte, die mit der Abtasteinrichtung dieser Erfindung abgetastet werden können, umfassen Papier, Netzhaut (Retina), Personen und Targets. Andere Verwendungen sind auch möglich. Zum Beispiel kann eine solche Abtasteinrichtung bzw. ein solcher Scanner 198 gut zum Abtasten der Erde von einem Satelliten aus, der den Scanner 198 mit sich führt, geeignet sein. Zusätzlich ist der Scanner ebenso gut zum Abtasten von Strahlen, emittiert oder reflektiert von dem Objekt 208, geeignet.
Der Emitter 200 ist vorzugsweise eine Lichtquelle, die vorzugsweise kollimiertes Licht von einem Laser, oder dergleichen, ist. Der Detektor 212 ist vorzugsweise so aufgebaut und angeordnet, um reflektierte Strahlen 210 des Lichts, emittiert von dem Emitter 200, zu erfassen, und elektrische Signale davon zu erzeugen. Beispiele von geeigneten Detektoren 212 umfassen eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) ebenso wie eine digitale Kamera.

Unter Verwendung der Schaltung, die zuvor beschrieben und in den 28 und 29 dargestellt ist, kann die Abtasteinrichtung 198 dieser Erfindung vorzugsweise zumindest die folgenden Spezifikationen erfüllen:

Betrachtungsfeld in X-Richtung	30°
Betrachtungsfeld in Y-Richtung	30°
Auflösung in der X-Richtung	0,4 mrad
Zahl der auflösbaren Flecke in X-Richtung	1.316
Auflösung in der Y-Richtung	0,4 mrad
Zahl der auflösbaren Flecke in Y-Richtung	1.316
Liniendauer	100 μs
Punkt-zu-Punkt-Zeitdauer	76 ns
Punktfrequenz	13,16 MHz

Tabelle 3

Die erwünschte Auflösung von größer als 1300 auflösbaren Punkten, die während einer Abtastung eines erwünschten Bereichs gelesen werden kann, erfordert vorzugsweise eine digitale Ansteuerung, wie beispielsweise die digitalen Treiber, offenbart in 29. Die zwei Zähler, einer für die X-Richtung und der andere für die Y-Richtung, erzeugen periodische Impulse, die zu analogen Spannungen umgewandelt werden, um von 0 Volt zu der erwünschten, maximalen Spannung anzusteigen, in dem bevorzugten Fall 10 Volt. Eine digitale Steuerung wird auch dazu verwendet, die nicht-linearen Charakteristika des spezifischen Materials mit variablem Brechungsindex, verwendet für die Prismen 48, zu kompensieren.
Der Strahl 50 wird vorzugsweise in der X- und Y-Richtung mit 10-Bit-Zählern 182 und 184, von 0 bis 1023 zählend, abgetastet. Deren Ausgang [D₀... D₉] wird zu der zugeordneten Durchsichtstabellen 186 und 188 von Adressen-Zeilen bzw. -Linien für eine Kompensation der Nicht-Linearität hingehen. Die 1k × 16 Durchsichtstabellen 186 und 188, vorzugsweise umgesetzt in SDRAM, listen die Daten um. Die Verwendung eines SDRAM ermöglicht in vorteilhafter Weise einen Punkt-zu-Punkt-Abtastübergang von 70 Nanosekunden (ns). Die Nicht-Linearitäts-Koeffizienten, gespeichert in den EEPROMs 190 und 192, werden vorzugsweise zu den SDRAMs 186 und 188 beim Starten des Systems übertragen. Der Ausgang des SDRAM [D_s0...D_S9] 186 und 188 wird durch 10-Bit-D/A-Wandler 194 und 196 in analoge Spannungspegel umgewandelt werden, die die er wünschten Ablenkwinkel, α_x und α_y, steuern. Zusätzlich wird ein analoges Puffern vorzugsweise erfordern, einen ausreichenden Stromabfluss und ausreichende Spannungspegel sicherzustellen. Die D/A-Wandler 194 und 196 können unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Taktgebern mit 13–15 Megahertz arbeiten. Falls es erwünscht ist, kann die Abtasteinrichtung 198 ohne eine Strahlquelle 200 arbeiten, so dass das Umgebungslicht 210, emittiert durch das Objekt 208, oder Licht 210, reflektiert von dem Objekt 208, durch den Strahlablenker 52 hindurchführen kann, wo es vorzugsweise zu dem Detektor 212 hin oder auf diesen durch den Ablenker 52 fokussiert wird. Wo dies der Fall ist, wird der Ablenken 52 vorzugsweise so orientiert, dass der abgelenkte Strahl 210 zuerst durch die Plattenanordnung 46a hindurchführt, bevor er durch die Plattenanordnung 46b hindurchführt, und dass der Strahl 210 zuerst durch das Feld 88 der Plattenanordnung 46a hindurchführt.
VI. Laser-Bilderzeugungs-Radar
Die 31 und 32 stellen eine Laser-Bilderzeugungs-Radar-Scanner-Anordnung 214 dar, ähnlich zu der Scanner- bzw. Abtastanordnung 198, die den zweidimensionalen Strahlablenker 52 verwendet und die durch ein Fahrzeug 216, das sich vorzugsweise in der Luft befindet, mitgeführt wird. Während das Flugobjekt 216, dargestellt in 32, eine Rakete oder ein Flugkörper ist, kann die Anordnung 214 auch durch ein Flugzeug, eine Drohne, einen Ballon, ein lenkbares Luftschiff, einen Satelliten, oder ein anderes Luftgerät, getragen werden. Die Anordnung 214 ist vorzugsweise an der Vorderseite des Fahrzeugs 216 oder nahe dazu angeordnet, kann allerdings an einer anderen Stelle angeordnet sein, vorausgesetzt, dass deren Abtastfeld relativ ungestört ist.
Der Ablenken 52 ist in einem rohrförmigen Gehäuse 218 montiert, das eine Seitenwand 220 und eine Endwand 222 besitzt. Der Emitter 224 ist vorzugsweise außerhalb des Gehäuses 218 angeordnet und ist ein Laser, von dem ein Laserstrahl 50 emittiert wird. Der Strahl 50 führt durch eine Optik 226 hindurch, die ein Polarisieren sein kann, wo er gegen einen ersten Spiegel 228 trifft, der den Strahl 50 durch eine Linse oder eine Öffnung 230 in der Gehäuseseitenwand 220 in das Gehäuse 218 hinein reflektiert. Ein zweiter Spiegel 232 innerhalb des Gehäuses 218 reflektiert den Strahl 50 aus der Vorderseite des Gehäuses 218 heraus, wo er durch den Ablenken 52 hindurchführt.
Der Ablenken 52 tastet den Strahl 50'' über das Objekt, das abgetastet werden soll, ab, was bewirkt, dass Strahlen 234 zurück zu dem Ablenker 52 hin reflektiert werden. Die reflektierten Strahlen 234 führen durch den Ablenker 52 hindurch in das Gehäuse 218 hinein, wo die Strahlen 234 durch eine Optik 236, getragen durch die Gehäuseendwand 222, fokussiert werden, die vorzugsweise ein Spiegel mit parabolischem Aufbau ist. Der Spiegel 236 fokussiert die reflektierten Strahlen 234 zu einem anderen Spiegel 238 innerhalb des Gehäuses 218 hin, der die Strahlen 234 zu dem Laserdetektor 240 hin reflektiert, der vorzugsweise außerhalb des Gehäuses 218 hinter der Gehäuseendwand 222 angeordnet ist. Der zweite Spiegel 238 reflektiert vorzugsweise die Strahlen 234 über eine Öffnung (nicht dargestellt) in der Endwand 222 zu dem Detektor 240 hin. Vorzugsweise sind das Gehäuse 218, der Ablenker 52, die Anordnung von Optiken und Spiegeln 236–232 so aufgebaut und angeordnet, dass der Detektor 240 ein Bild des Objekts 242, das abgetastet werden soll, aufnimmt. Falls erwünscht, kann der Ablenker 52 auch dazu verwendet werden, die Strahlen 234 aus Licht, reflektiert von dem Objekt oder dem Gebiet, das abgetastet werden soll, wenn sie durch den Ablenker 52 hindurchführen, abzulenken.
Wie in 32 dargestellt ist, ist das Objekt 242, das abgetastet werden soll, das Gelände 242 vor und unterhalb des Flugobjekts 216. Die Grenzen des Bereichs 244, der abgetastet werden kann, sind angedeutet in 32 dargestellt. Wie durch den abgetasteten Bereich 244 dargestellt ist, wird der Strahl 50'' sowohl horizontal als auch vertikal über den Bereich 244 hinweg abgetastet. In vorteilhafter Weise wird eine Abtastung ohne irgendeine Komponente der Abtasteinrichtungsanordnung 214, die sich irgendwie bewegt, durchgeführt. Genauer gesagt bewegt sich der Strahlablenker 52 nicht während des Betriebs der Abtasteinrichtung 214.
Ein Bild des abgetasteten Bereichs 244 wird vorzugsweise an dem Detektor 240 reproduziert, das vorzugsweise verarbeitet wird, wie beispielsweise durch eine digitale Signalverarbeitung, oder dergleichen. Das verarbeitete Bild kann dann gegen eine Karte, gespeichert in dem Gerät bzw. dem Flugobjekt 216, wie beispielsweise eine digitalisierte Karte, zur Verwendung beim Erfassen des Fahrzeugs 216, oder zur Verwendung bei der Navigation und Führung des Fahrzeugs 216, verglichen werden.
Der Laser 224 ist vorzugsweise ein Infrarotlaser, der eine Wellenlänge zwischen ungefähr 1,2 μm und ungefähr 1,5 μm besitzt, so dass er nicht die Augen irgendeiner Person in der Nähe des Bereichs 244, der abgetastet werden soll, beschädigen wird. Vorzugsweise besitzt der Laser 224 einen Strahldurchmesser nicht größer als ungefähr einen Zentimeter, um zu ermöglichen, dass er schnell in zwei Dimensionen abgetastet werden kann.
Der Ablenker 52 ist kreisförmig und besitzt einen Durchmesser von ungefähr 3,5 Inch. Um einen gewünschten, großen Bereich 244 abzutasten, besitzt der Ablenker 52 ein Betrachtungsfeld oder ein Feld, das von Interesse ist, von ungefähr 30° mal ungefähr 30°, und benötigt vorzugsweise nicht länger als ungefähr 100 μs, um eine einzelne Abtastung des gesamten Bereichs 244 vorzunehmen. Demzufolge besitzt der Ablenker 52 einen maximalen Abtastwinkel, α_xmax, in der X-Richtung, von ungefähr mindestens 30°, und einen maximalen Abtastwinkel, α_ymax, in der Y-Richtung, von mindestens ungefähr 30°. Der Ablenker 52 kann vorzugsweise eine Dimension nicht langsamer als ungefähr 100 μs und die zweite Dimension nicht langsamer als ungefähr 30 ms abtasten.
Zum Beispiel kann der Ablenker 52 eine vollständige Abtastung von links nach rechts oder von rechts nach links (X-Richtung) nicht langsamer als ungefähr 100 μs oder von oben nach unten oder von unten nach oben (Y-Richtung) nicht langsamer als ungefähr 30 ms abschließen. Alternativ kann der Ablenker 52 eine vollständige Abtastung von links nach rechts oder von rechts nach links (X-Richtung) nicht langsamer als ungefähr 30 ms und von oben nach unten oder von unten nach oben (Y-Richtung) nicht langsamer als ungefähr 100 μs abschließen. Das Bild, das sich von einer einzelnen Abtastung des Bereichs 244 ergibt, ist ein Einzelbild. Vorzugsweise kann der Ablenker 52, der die vorstehend angegebenen Charakteristika besitzt, schnell genug abtasten, um den Detektor 240 mit ungefähr einer Einzelbild-Rate zu versorgen, die 30 Hertz oder größer ist.

Vorzugsweise besitzt die Laser-Bilderzeugungs-Radar-Anordnung 214 zumindest die folgenden Spezifikationen:

Freie Öffnung:	7,5 cm × 7,5 cm
Pointing-Auflösung:	< 620 μrad
Ansprechzeit:	< 100 μs
Transmission:	> 50%
Betroffenes Feld:	30° × 30°
Laserwellenlänge:	1,54 μm
Gesamte Strahlenergie:	250 mJ pro 8 ns Impuls

Tabelle 4

Die Messung der freien Öffnung ist die Größe des Strahlablenkers, durch die der Strahl 50 tatsächlich hindurchführen kann. Die Pointing-Auflösung ist diejenige, wie akkurat der Strahl 50 sowohl in der X-Richtung (α_x) als auch in der Y-Richtung (α_y) abgelenkt werden kann. Die Ansprechzeit ist diejenige, wie schnell der Ablenker 52 eine Abtastung über das gesamte Feld, das von Interesse ist, wiederholen kann. Die Transmission gibt wieder, wie effektiv Licht durch den Ablenker 52 transmittiert werden kann. Die Laserwellenlänge ist die erwünschte Wellenlänge des Lasers 224, von dem der Strahl 50 emittiert wird. Die gesamte Strahlenergie ist diejenige, wie viel Energie durch den Laser 224 während einer Impulszeit von, zum Beispiel, 8 Nanosekunden emittiert wird.
Um diese erwünschten Charakteristika zu erreichen, besitzt jedes Prisma 48 und 42 jeder Plattenanordnung 46a und 46b eine Teilung oder eine Höhe nicht größer als ungefähr 10 μm, unter Verwendung eines Flüssigkristall-Materials 48, das eine Ansprechzeit von ungefähr mindestens 30 μs besitzt. Vorzugsweise ist das Flüssigkristall-Material 48 ein ferroelektrisches Flüssigkristall-Material. Vorzugsweise besitzt das Flüssigkristall-Material 48, verwendet dazu, Prismen 48 zu bilden, eine Doppelbrechung oder ein Δn von mindestens ungefähr 0,25 oder 0,26, so dass α_max bis zu ungefähr 45° groß sein kann, mit einer angelegten Spannung zwischen 0 Volt und ungefähr 10 Volt.
Tabelle 5
Der zweidimensionale Ablenker 52 kann vorzugsweise auch so aufgebaut sein, dass er die Charakteristika besitzt, die in der Tabelle 5 vorstehend angegeben sind. Es sollte angemerkt werden, dass ein Beispiel eines geeigneten Lasers, der den erwünschten Strahl 50 erzeugt, der die erwünschte Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich und einen Strahldurchmesser besitzt, ein Neodium; YAG-Laser ist.
Falls es erwünscht ist, eine dreidimensionale Abtastanordnung aufzubauen, können drei Plattenanordnungen 46 sandwichartig mit einer Schicht aus einer verdrillten, nematischen Flüssigkristallplatte 168 zwischen jedem angrenzenden Paar von Plattenanordnungen 46 zusammengefügt werden.
Falls es erwünscht ist, kann der zweidimensionale Strahlablenker 52 als eine Zielvorrichtung verwendet werden, um selektiv einen Laserstrahl 50, oder einen anderen Strahl mit hoher Energiedichte, auf ein Objekt 242 hin zu richten, das sich bewegt. Ein Beispiel einer solchen Verwendung für die Zielvorrichtung 52 ist diejenige, einen Strahl 50 auf ein ankommendes Flugzeug, einen Flugkörper oder ein Raketenobjekt 242 hin zu richten, um es zu beschädigen oder zu zerstören. Die Zielvorrichtung 52 bewegt sich nicht während des Betriebs und kann vorteilhafterweise den Strahl 50 in zwei Dimensionen richten, ausreichend schnell genug, den Strahl auf ein Objekt 242, das sich mehrere hundert oder sogar tausend Meilen pro Stunde bewegt, zu richten.
Es sollte auch verständlich werden, dass, obwohl die vorstehende Beschreibung und Zeichnungen im Detail bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben und darstellen, Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, aufgrund der vorliegenden Offenbarung viele Modifikationen und Konstruktionen, ebenso wie sich weit unterscheidende Ausführungsformen und Anwendungen, erkennen werden, ohne dadurch den Schutzumfang der Erfindung, wie er beansprucht ist, zu verlassen. Die vorliegende Erfindung ist deshalb dazu vorgesehen, nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche begrenzt zu sein.

Claims

Strahlablenker zum Ablenken eines Strahls elektromagnetischer Energie, der aufweist: a) ein erstes Prisma (48), das (1) einen Brechungsindex, geeignet zum Variieren beim Vorhandensein eines elektrischen oder magnetischen Felds, (2) eine erste Fläche (90), durch die der Strahl in das erste Prisma eintritt, und (3) eine zweite Fläche (92), durch die der Strahl aus dem Prisma austritt, besitzt, b) ein zweites Prisma (42), das (1) einen Brechungsindex besitzt, der im Wesentlichen konstant verbleibt, (2) eine erste Fläche (56) besitzt, durch die der Strahl in das zweite Prisma eintritt, und (3) eine zweite Fläche (58) besitzt, durch die der Strahl aus dem zweiten Prisma austritt; c) wobei das erste Prisma und das zweite Prisma beide einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt haben; d) wobei das erste Prisma und das zweite Prisma so angepasst sind, dass die zweite Fläche des ersten Prismas angrenzend an die erste Fläche des zweiten Prismas angeordnet ist; e) eine Quelle eines elektrischen oder magnetischen Felds, aufgebaut und angeordnet so, dass sich das Feld zumindest durch das erste Prisma hindurch erstreckt; f) wobei Änderungen in dem Fluß des elektrischen Felds oder des magnetischen Felds den Brechungsindex des ersten Prismas ändern, um dadurch den Winkel zu ändern, unter dem der Strahl abgelenkt wird, wenn er durch die Prismen hindurchtritt; und g) eine erste, leitfähige Schicht (102), angeordnet angrenzend an die erste Fläche des ersten Prismas, und eine zweite, leitfähige Schicht (82) und eine Spannungsquelle, elektrisch verbunden mit der ersten, leitfähigen Schicht und der zweiten, leitfähigen Schicht zum Erzeugen des elektrischen Felds oder des magnetischen Felds durch das Prisma, wenn eine Spannung von der Spannungs quelle an die erste, leitfähige Schicht und die zweite, leitfähige Schicht angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass h) sowohl das erste als auch das zweite Prisma eine Höhe haben, die nicht größer als ungefähr 100 μm ist, um auf eine Änderung in dem elektrischen Feld oder dem magnetischen Feld nicht langsamer als ungefähr 100 μs anzusprechen; und i) die zweite, leitfähige Schicht (82) angrenzend an die zweite Fläche des zweiten Prismas angeordnet ist.
Strahlablenker nach Anspruch 1, wobei die Höhe die Dicke des Prismas in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Richtung des Strahls aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 1, wobei das erste Prisma und das zweite Prisma jeweils eine Breite nicht größer als ungefähr 30 μm haben.
Strahlablenker nach Anspruch 1, wobei sowohl das erste Prisma als auch das zweite Prisma beide einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt und eine Höhe haben, die nicht größer als ungefähr 20 μm ist, so dass das erste Prisma seinen Brechungsindex in Abhängigkeit einer Änderung in dem elektrischen Feld oder in dem magnetischen Feld in nicht mehr als ungefähr 30 μs ändert.
Strahlablenker nach Anspruch 1, wobei sowohl das erste Prisma als auch das zweite Prisma einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt und eine Höhe haben, die nicht größer als ungefähr 15 μm ist, und eine Breite haben, die nicht größer als ungefähr 30 μm ist, so dass das erste Prisma seinen Brechungsindex in Abhängigkeit einer Änderung in dem elektrischen Feld oder dem magnetischen Feld in nicht mehr als ungefähr 30 μs ändert.
Strahlablenker nach Anspruch 5, wobei die Höhe des ersten Prismas und des zweiten Prismas nicht größer als ungefähr 10 μm ist.
Strahlablenker nach Anspruch 1, wobei die erste, leitfähige Schicht und die zweite, leitfähige Schicht aus Indiumzinnoxid aufgebaut sind.
Strahlablenker nach Anspruch 1, wobei sowohl das erste Prisma als auch das zweite Prisma (1) einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt haben, (2) eine Höhe haben, die nicht größer als 10 μm ist, und (3) einen Scheitelwinkel zwischen ungefähr 45° und 60° haben.
Strahlablenker nach Anspruch 8, wobei sowohl das erste Prisma als auch das zweite Prisma beide mindestens einen Zentimeter lang sind.
Strahlablenker nach Anspruch 2, wobei das erste Prisma aus einem Material mit variablem Brechungsindex aufgebaut ist, dessen Brechungsindex sich bis zu 0,2 in Abhängigkeit von dem Fluß oder der Größe des elektrischen oder magnetischen Felds, das angelegt ist, ändern kann.
Strahlablenker nach Anspruch 4, der eine Mehrzahl von Paaren des ersten Prismas, angeordnet in dem ersten Feld, und eine Mehrzahl von Paaren des zweiten Prismas, angeordnet in dem zweiten Feld, aufweist, wobei (1) das erste Feld des ersten Prismas und das zweite Feld des zweiten Prismas zueinander angepasst sind, und (2) das erste Feld und das zweite Feld im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Strahls orientiert sind.
Strahlablenker nach Anspruch 11, der weiterhin (1) eine erste Fläche (68), angeordnet auf einer Seite des ersten und des zweiten Felds, und (2) eine zweite Fläche (70), angeordnet auf einer anderen Seite des ersten und des zweiten Felds, aufweist, wobei (1) die erste Fläche und die zweite Fläche im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Strahls orientiert sind, und (2) die erste Fläche, das erste Feld, das zweite Feld und die zweite Fläche eine Plattenanordnung definieren.
Strahlablenker nach Anspruch 12, der einen Strahlpolarisierer, angeordnet vor der Plattenanordnung so, dass der Strahl durch den Polarisierer hindurchführt, bevor der Strahl durch die Plattenanordnung hindurchführt, aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 12, der weiterhin (1) eine erste, leitfähige Schicht, angeordnet zwischen einer der Flächen und einem der Felder, (2) eine zweite, leitfähige Schicht, angeordnet zwischen der anderen der Flächen und der anderen der Felder, (3) eine Spannungsquelle, elektrisch verbunden mit (i) der ersten, leitfähigen Schicht und (ii) der zweiten, leitfähigen Schicht, so dass die Größe des elektrischen Felds, angelegt an jedes der ersten Prismen, im Wesentlichen dieselbe ist, aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 14, wobei die erste, leitfähige Schicht zwischen der ersten Fläche und dem ersten Feld angeordnet ist und die zweite, leitfähige Schicht zwischen der zweiten Fläche und dem zweiten Feld angeordnet ist.
Strahlablenker nach Anspruch 14, wobei eine der leitfähigen Schichten zwischen dem ersten Feld und dem zweiten Feld zum Erzeugen eines nicht gleichförmigen, elektrischen oder magnetischen Felds in jedem der ersten Prismen angeordnet ist.
Strahlablenker nach Anspruch 12, der weiterhin Einrichtungen zum Kompensieren der Temperatur der Plattenanordnung in einer betriebsfähigen Verbindung mit der Plattenanordnung aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 17, wobei die Temperaturkompensationseinrichtung einen Temperaturfühler und eine Heizeinrichtung, in Kontakt mit der Plattenanordnung, aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 18, wobei der Temperaturfühler nicht in Kontakt mit der Plattenanordnung steht und die Heizeinrichtung ein elektrisch beheiztes, thermisches Tuch in Kontakt mit der Plattenanordnung aufweist, das selektiv die Plattenanordnung in Abhängigkeit der Temperatur, gefühlt durch den Temperaturfühler, beheizt.
Strahlablenker nach Anspruch 12, der weiterhin (1) ein Feld aus positiven Mikrolinsen (132), angeordnet vor der Plattenanordnung, so dass der Strahl zuerst durch das positive Mikrolinsenfeld hindurchführt, bevor er durch die Plattenanordnung hindurchführt, und (2) ein Feld aus negativen Mikrolinsen (134), angeordnet hinter der Plattenanordnung, so dass der Strahl zuerst durch die Plattenanordnung hindurchführt, bevor er durch das negative Mikrolinsenfeld hindurchführt, aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 12, der weiterhin (1) ein positives Mikrolinsenfeld, angeordnet vor der Plattenanordnung, so dass der Strahl zuerst durch das positive Mikrolinsenfeld hindurchführt, bevor er durch die Plattenanordnung hindurchführt, und (2) ein negatives Mikrolinsenfeld, angeordnet zwischen dem positiven Mikrolinsenfeld und der Plattenanordnung, aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 12, wobei (1) sowohl das erste Feld als auch das zweite Feld mindestens fünf Prismen aufweisen, wobei (2) ein erstes der zweiten Prismen eine erste Breite besitzt, ein zweites der zweiten Prismen die zweite Breite besitzt, ein drittes der zweiten Prismen eine dritte Breite besitzt, ein viertes der zweiten Prismen eine vierte Breite besitzt und ein fünftes der zweiten Prismen eine fünfte Breite besitzt, wobei (3) keine der Breiten dieselben sind, und (4) wobei die Summe der ersten Breite, der zweiten Breite, der dritten Breite, der vierten Breite und der fünften Breite größer als ungefähr hundertmal der Wellenlänge des Strahls zum Reduzieren eines Diffraktionsrauschens ist.
Strahlablenker nach Anspruch 12, wobei die Plattenanordnung mindestens ungefähr 0,0254 m (ein Inch) in der Länge und mindestens ungefähr 0,0254m (ein Inch) in der Höhe aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 23, wobei die Plattenanordnung mindestens ungefähr 0,0889 m (3,5 Inch) in der Länge und mindestens ungefähr 0,0889 m (3,5 Inch) in der Höhe ist.
Strahlablenker nach Anspruch 24, wobei die Plattenanordnung nicht mehr als zehn Millimeter dick ist.
Strahlablenker nach Anspruch 12, wobei der Strahl einen Durchmesser von weniger als 100 μm besitzt und selektiv unter einem Winkel mindestens so groß wie ungefähr 30° abgelenkt werden kann, wenn er durch die Plattenanordnung hindurchführt.
Strahlablenker nach Anspruch 26, wobei der Strahl selektiv zwischen ungefähr 0° und ungefähr 30° abgelenkt werden kann.
Strahlablenker nach Anspruch 26, wobei der Strahl selektiv innerhalb ungefähr 0,5 Milliradian eines erwünschten Ablenkungswinkels abgelenkt werden kann.
Strahlablenker nach Anspruch 26, wobei der Strahl Licht aufweist, das eine Wellenlänge zwischen ungefähr 0,3 μm und ungefähr 30 μm besitzt.
Strahlablenker nach Anspruch 26, wobei der Strahl infrarotes Licht aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 30, wobei das infrarote Licht eine Wellenlänge zwischen ungefähr 1,2 μm und ungefähr 1,5 μm besitzt.
Strahlablenker nach Anspruch 12, der ein Paar von Plattenanordnungen so aufweist, dass eine der Plattenanordnungen angrenzend an die andere der Plattenanordnungen angeordnet ist, wobei die Prismen des ersten Felds einer der Plattenanordnungen orthogonal zu den Prismen des ersten Felds der anderen der Plattenanordnungen liegen und die Prismen des zweiten Felds der einen der Plattenanordnungen orthogonal zu den Prismen des zweiten Felds der anderen der Plattenanordnungen liegen, so dass eine der Plattenanordnungen den Strahl in einer Richtung ablenkt und die andere der Plattenanordnungen den Strahl in einer anderen Richtung ablenkt.
Strahlablenker nach Anspruch 32, wobei eine der Plattenanordnungen den Strahl in einer Dimension ablenkt und die andere der Plattenanordnungen den Strahl in einer anderen Dimension ablenkt.
Strahlablenker nach Anspruch 33, wobei eine der Plattenanordnungen den Strahl horizontal ablenkt und die andere der Plattenanordnung den Strahl vertikal ablenkt. 35. Strahlablenker nach Anspruch 32, der weiterhin eine Polarisiererplatte, angeordnet zwischen den Plattenanordnungen, aufweist.
Strahlablenker nach Anspruch 10, wobei das Material mit variablem Brechungsindex aus einem Flüssigkristall aufgebaut ist.
Strahlablenker nach Anspruch 36, wobei jedes der ersten Prismen aus einem ferroelektrischen Flüssigkeitskristall aufgebaut ist.
Strahlablenker nach Anspruch 36, wobei jedes der ersten Prismen aus einem nematischen Flüssigkeitskristall aufgebaut ist.