DE3113840A1 - Kontinuierlich veraenderbare optische daempfungsvorrichtung - Google Patents

Description

311384Ü

Patentanwalt· ^J~ Dr. γθγ. net. Thomas Berendt

Dr.-Ing. Hans Leyh
Innere VWmerStr. 20- D 8000 MOnchm M

Unser Zeichen: A 14 • · Lh/fi

Ferranti Limited, Bridge House, Park Road, Gatley, Cheadie, Cheshire, England

Kontinuierlich veränderbare optische Dämpfungsvorrichtung

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A 14 479 Ferranti Ltd.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine kontinuierlich veränderbare optische Dämpfungsvorrichtung.

Es sind verschiedene Arten von optischen Dämpfungsvorrichtungen bekannt, die in optischen Anlagen verwendet werden, um die Intensität einer optischen Strahlung zu steuern. Eine weit verwendete Art ist die Iris-Membran, während andere neutrale Filter und Filter mit variabler Dichte verwenden.

Ein Hauptnachteil bei diesen Dämpfungsvorrichtungen ist,daß die Stärke des Strahles über seinen Querschnitt sich verändert. Bei der Verwendung einer Iris-Membran besteht ja der Effekt darin, den Querschnitt des Strahles zu reduzieren. In vielen Fällen kann diese Veränderung des Querschnittes nicht zugelassen werden, beispielsweise in Laser-Einrichtungen, in denen Beugungseffekte auftreten würden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierlich variable Dämpfungsvorrichtung zu schaffen, die eine konstante Dämpfung über den gesamten Querschnitt eines Strahles ermöglicht, ohne den Querschnitt zu beeinträchtigen.

Nach der Erfindung umfaßt eine solche Dämpfungsvorrichtung ein Paar optischer Elemente, die in der Achse eines Strahles angeordnet sind und von denen jedes eine ebene Fläche aufweist, die senkrecht zu dieser Achse liegt und die eine konstante optische Dichte in einer ersten Richtung in der Ebene der Fläche und eine kontinuierlich variable optische Dichte in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung aufweisen, wobei die kontinuierlich

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veränderlichen Dichten der beiden Elemente sich mit derselben Rate aber in entgegengesetzem Sinn längs dieser zweiten Richtung verändern, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um eine relative Bewegung zwischen den beiden optischen Elementen in dieser zweiten Richtung zu erzeugen.

Vorzugsweise umfaßt jedes optische Element ein Prisma aus einem optisch absorbierenden Material mit einer konstanten Dicke in dieser ersten Richtung und einer kontinuierlich veränderlichen Dicke in der zweiten Richtung. Die geneigten Flächen der beiden Prismen können aneinander angrenzend angeordnet sein, und jedes Prisma kann mit einem Prisma aus einem optisch nicht-absorbierenden Material kombiniert sein, um einen Block mit parallelen Seiten zu bilden. '

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 und. 2 anhand einer ersten Ausführungsform.die Wirkungsweise der Erfindung zeigen.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform. Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform.

Fig. 5 und 6 zeigen Möglichkeiten zur Erzeugung.der erforderlichen Relativbewegung.

Nach den Fig. 1 und 2 umfaßt die Dämpfungsvorrichtung zwei Prismen und 11, von denen jedes aus einem optischen absorbierenden Material, wie z.B. Glas besteht. Das kleine Prisma 10 ist relativ zur optischen Achse 12 eines Strahles 13 fest angeordnet. Das Prisma 10 hat eine Fläche 14, die senkrecht zur optischen Achse 12 liegt und eine zweite Fläche 15, die in einem Winkel zu der Achse geneigt ist. Die Dicke

des Prismas in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene ist konstant.

Das zweite Prisma 11 hat dieselben Proportionen wie das Prisma 10, ist jedoch beträchtlich größer. Dieses Prisma hat ebenfalls eine Fläche 16, die senkrecht zur optischen Achse 12 liegt und eine zweite Fläche 17, die in demselben Winkel wie die Fläche 15.geneigt ist. Auch das Prisma 11 hat eine konstante Dicke. Die beiden Prismen sind so angeordnet, daß ihre geneigten Flächen, die parallel zueinander liegen, zueinander benachbart sind.'

Das größere Prisma 11 ist so angeordnet, daß es in einer Richtung parallel zur Fläche 16, wie durch den Pfeil angedeutet, verschiebbar ist. Beide Prismen müssen ständig die Gesamt heit des Strahles 13 schneiden und Fig. 1 zeigt das bewegliche Prisma 11 nahezu in einem Ende seines Bewegungsbereiches. Der Dämpfungsgrad hängt ab von der Länge des Weges der Strahlung durch das absorbierende Material. Da die Flächen 14 und 16 einerseits und die Flächen 15 und 17 andererseits parallel sind, gehen alle Teile des Strahles durch eine gleiche Dicke des Materials, womit die Dämpfung konstant über den gesamten Querschnitt des Strahles ist.

Fig. 2 zeigt das bewegliche Prisma 11 verschoben zum anderen Ende seines Bewegungsbereiches. Hier ist die Dämpfung ebenfalls über den gesamten Querschnitt des Strahles konstant, obwohl in diesem Fall die Dämpfung größer ist, weil der Strahl durch eine größere Material dicke hindurchgeht.

Die Rate, mit der die Dämpfung variiert werden kann, hängt von dem· Neigungswinkel der geneigten Flächen 15 und 17 und von den Dämpfungseigenschaften des absorbierenden Materials ab.

Ein bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 auftretendes Problem liegt darin, daß die Bahn des Strahles nicht ganz so verläuft, wie gezeigt, infolge der Brechung an den verschiedenen Grenflächen. Als Folge hiervon wird der Strahl seitlich verschoben.

Dies kann vermieden werden, indem alle Oberflächen, durch die der Strahl hindurchtritt, senkrecht zur Achse des Strahles liegen.

Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit, wie dies erreicht werden kann.

Mit jedem der Prismen 10 und 11 ist ein identisches Prisma 30 und entsprechend verbunden, das aus optischem Glas besteht, das denselben Brechungsindex wie die Prismen 10 und 11 hat, in der Weise, daß ein Element mit parallelen Seiten gebildet wird, wie dargestellt. Die Wirkung ist exakt dieselbe wie zuvor, abgesehen von einer minimalen Dämpfung durch das optische Glas, außer daß nunmehr keine Brechung an den Glas-Luft-Grenzflächen mehr auftritt, da diese senkrecht zum Strahl liegen. Die beiden Elemente können nahe zusammen angeordnet werden, um den Spalt zwischen ihnen auf einem Minimum zu halten. Die Bahnlänge des Strahles durch das optische Glas ist konstant über den gesamten Querschnitt des Strahles, so daß keine Probleme durch das Vorhandensein der zusätzlichen Prismen 30 und 31 auftauchen.

Man kann zeigen, daß in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Dämpfungsstärke R des Strahles gegeben ist durch den Ausdruck

R = 1OkL log_1Qe dB

oder = 4.3429 kL dB

worin k der Absorptionskoeffizient des absorbierenden Materials und L die Bahnlänge in dem absorbierenden Material ist.

Die. Empfindlichkeit der Vorrichtung, d.h. die Veränderung der Absorption infolge einer gegebenen Veränderung der relativen Position kann erniedrigt werden durch eine solche Auswahl des Absorptionskoeffizienten, daß eine größere Bewegung für eine gegebene Veränderung der Dämpfung erforderlich wird. Der Gesamtbereich kann variiert

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werden, indem zwei Prismen derselben Größe vorgesehen werden und beide Prismen bewegbar sind. Dies ist in Fig. 4 dargestellt, worin jedes Element ein Doppel prisma ist, wie in Verbindung mit Fig. beschrieben. Es gibt viele Möglichkeiten, um die erforderliche Relativbewegung der Prismen zu erzeugen. In der Ausführungsform nach den Fig. 1, 2 und 3 ist das kleinere Prisma ortsfest angeordnet. Wie Fig. 5 zeigt, kann das größere Prisma auf einem nichtgezeigten linearen Lager angeordnet und mit Hilfe eines Mikrometers entgegen einer Federkraft bewegt werden, die schematisch bei 51 . dargestellt ist. Dies gewährleistet eine genaue und wiederholbare Positionierung. Dieselbe Form der Halterung kann für jedes der Prismen in der Ausführungsform nach Fig. 4 verwendet werden.

Da die Absorption des Materials von der Wellenlänge der Strahlung abhängig ist, ist jede Eichung der Dämpfungsvorrichtung nur für eine bestimmte Wellenlänge richtig. Wenn die Dämpfungsvorrichtung für die niedrigste Wellenlänge geeicht wird, die verwendet wird, wenn das Material der Dämpfungsvorrichtung derart ist, daß der Absorp-tionskoeffizient zunimmt wenn die Wellenlänge zunimmt, dann kann die oben erwähnte Mikrometerbewegung modifiziert werden, um die Veränderung"zu korrigieren. Dies kann, wie Fig: 6 zeigt, in der Weise erfolgen, daß das Mikrometer 50 um einen bekannten Winkel ß geschwenkt wird, so daß eine gegebene Bewegung des Mikrometers eine geringere Bewegung des Prismas bewirkt. Die Bewegung des Mikrometers ist damit gleich der Bewegung des Prismas dividiert durch den Cosinus des Winkels ß. Da die Dämpfung proportional zur Verschiebung des Prismas ist, ist der Winkel β gegeben durch

ß = cos"¹k/(k+Ak)

worin Ak der Wert ist, um den der Absorptionskoeffizient k zunimmt · aufgrund der Zunahme der Wellenlänge. Die Anzeige des Mikrometers entspricht dann weiterhin der geeichten Dämpfung.

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Anstelle der Elemente aus absorbierendem Glas, die oben beschrieben wurden, ist es möglich, ein Paar Filter veränderlicher Dichte zu verwenden. Diese bestehen z.B. aus einem Glas-Substrat, auf dem entweder ein absorbierender oder ein reflektierender überzug aufgebracht ist, dessen optische Dichte eine lineare Funktion des Abstandes ist. Wenn reflektierende überzüge verwendet werden, ist Vorsorge zu treffen, daß unerwünschte Effekte aufgrund· von Mehrfachreflexionen vermieden werden. Wie oben, sind die Paare von Elementen so angeordnet, daß die Dichten der beiden Elemente in entgegengesetztem Sinn sich verändern. Damit ist, wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform, die Dämpfung über den gesamten Querschnitt des Strahles konstant.

Die Dämpfungsvorrichtung aus einem Filter mit veränderlicher Dichte kann ferner in manchen Fällen weniger wellenlängenabhängig sein als die Elemente mit der veränderlichen Brate.

Die vorbeschriebene Vorrichtung kann mit Licht jeder Polarisation betrieben werden, ohne daß eine Neueichung erforderlich ist, und falls Reflexionen auftreten, so bleiben diese konstant, unabhängig vom Grad der Dämpfung. Die Dämpfung kann sanft und kontinuierlich verändert werden. Die Wellenlängen-Abhängigkeit der Dämpfung kann vorteilhaft ausgenutzt werden, wenn eine Dämpfungsvorrichtung mit Wellenlängen-Abhängigkeit eingesetzt werden soll.

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Claims (1)

1. A 14 479 Ferranti Ltd.

   Patentansprüche

   Kontinuierlich veränderbare optische Dämpfungsvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Paar optischer Elemente, die auf der Achse eines Strahles angeordnet sind und von denen jedes eine ebene Fläche aufweist, die senkrecht zu dieser Achse verläuft und die eine konstante optische Dichte in einer ersten Richtung in der Ebene der Fläche und eine kontinuierlich veränderbare optische Dichte in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung aufweisen, daß ferner die kontinuierlich veränderbaren Dichten der beiden Elemente sich mit derselben Rate aber in entgegengesetztem Sinn längs dieser zweiten Richtung verändern, und daß Mittel vorgesehen sind, um die beiden optischen Elemente in dieser zweiten Richtung relativ zueinander zu bewegen.

   Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes optische Element ein Prisma aus einem optisch absorbierenden Material aufweist, das eine konstante Dicke in dieser ersten Richtung und eine kontinuierlich veränderbare Dicke in dieser zweiten Richtung aufweist.

   Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Prisma eine Fläche aufweist, die in einem Winkel zu der Achse geneigt ist, und daß die beiden geneigten Flächen benachbart zueinander angeordnet sind und parallel zueinander verlaufen.

   Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Prisma mit einem Prisma aus einem optisch nicht-absorbierenden Material kombiniert ist, um einen Block mit parallelen Seiten zu bilden.

   5. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden optischen Elemente so angeordnet sind, daß die Prismen aus optisch nicht-absorbierendem Material benachbart zueinander liegen und die parallelen Flächen der Blöcke senkrecht zur Achse der Strahl richtung verlaufen.

   6. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes optische Element ein Substrat aufweist, das mit einer Schicht aus einem optisch absorbierenden Material versehen ist, und daß die optische Dichte dieser Schicht linear in dieser zweiten Richtung zunimmt.

   7. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes optische Element ein Substrat aufweist, das mit einer oder mehr reflektierenden Schichten versehen ist, und daß das Reflexionsvermögen der Schicht linear in dieser zweiten Richtung zunimmt.

   8. Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch . gekennzeichnet, daß eines der optischen Elemente fest relativ zu dieser Achse angeordnet ist, während das andere optische Element in dieser zweiten Richtung verschiebbar ist.

   9. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses andere optische Element mittels eines Mikrometers gegen eine Federkraft bewegbar ist.

   10. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Schubs des Mikrometers verstellbar ist.