DE2210320A1

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Publication number: DE2210320A1
Application number: DE19722210320
Authority: DE
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-03-05
Filing date: 1972-03-03
Publication date: 1972-09-21
Also published as: DE2210320C3; JPS5631568B1; BE780111A; GB1369909A; NL7202837A; US3799652A; DE2210320B2

Description

THOMSON - CSi¹
173, Bd. Haussmann
PARIS 8e /Frankreich

Unser Zeichen: T 1158

Akusto-optisches Ablenksystem

Die Erfindung bezieht sich auf Systeme, mit denen ein monochromatisches Strahlungsenergiebündel unter der Steuerung eines elektrischen Signals abgelenkt werden kann. Sie betrifft insbesondere akustische Ablenksysteme, bei denen die Frequenz des elektrischen Steuersignals den Wert des Ablenkwinkels bestimmt.

Die akusto-optischen Ablenksysteme bekannter Art bestehen im wesentlichen aus einem Stab aus einem elastischen Material, dessen Brechungsindex mit Hilfe einer Ultraschallwelle moduliert wird, die von einem elektromechanischen Wandler stammt, der an einem der Enden des Stabes befestigt ist. Wenn an die Eingangsklemmen des Wandlers ein elektrisches Steuersignal angelegt wird, erzeugen die Änderungen des Brechungsindex im Innern des Stabes eine optische Reflexion. Bei Anwendung einer

Lei/Gl

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geeigneten Ultraschallenergiedichte ist festzustellen, daß das abzulenkende Energiebündel eine vollkommene Reflexion erfährt, wenn es auf die Ultraschallwelle unter dem Bragg¹sehen Einfallswinkel trifft. Wenn sich die Frequenz der Schallwelle ändert, stellt man eine weniger ausgeprägte Reflexion und eine Änderung der Richtung des reflektierten Bündels fest. Man kann zeigen, daß der optische Reflexionsfaktor einer akustooptischen Ablenkzelle nur dann in der Nähe von Eins bleibt, wenn der Ablenkbereich auf einige Grad begrenzt ist. Dies ist ein Nachteil, der auf dem Prinzip der akusto-optischen Ablenkung selbst beruht.

Zur Vermeidung dieses Nachteils kann man hinter einer akusto-optischen Ablenkzelle eine Lupe anbringen, deren Vergrößerung die Erweiterung der Ausdehnung des Ablenkbereichs ermöglicht. Der Raumbedarf, die Kosten und die optischen Aberrationen dieser Kombination stellen jedoch weitere Nachteile dar.

Hinsichtlich des Winkelauflösungsvermögens kann man zeigen, daß die akusto-optioche Ablenkzelle die Unterscheidung einer Anzahl von verschiedenen Richtungen ermöglicht, die umso größer ist, je größer die Breite des abgelenkten-Bündels in der Ablenkebene i3t. Da die abzulenkenden Bündel im allgemeinen schmal sind, ist es erforderlich, vor und hinter der Ablenkzelle optische Systeme anzubringen, damit der Querschnitt des Bündels zunächst verbreitert und dann wieder verringert wird. Zu diesem Zweck kann man von afokalen optischen Systemen Gebrauch machen, doch weisen diese die gleichen Nachteile wie die zuvor erwähnte Lupe auf.

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Die Ultraschalleistung, die erforderlich ist, um in der akusto-optischen Ablenkzelle die richtige Energiedichte zu erzeugen, hängt von dein Volumen der Wechselwirkungszone der beiden Wellensysteme ab. Um diese Leistung in vernünftigen Grenzen zu halten, kann man dem abzulenkenden Bündel einen elliptischen Querschnitt erteilen, dessen große Achse in der Ablenkebene liegt. Leider erfordert diese Maßnahme die Verwendung von Zylinderlinsen, die vor und hinter der akusto-optischen Ablenkzelle angebracht sind; wenn diese Zylinderlinsen in vollkommener Weise korrigiert sind, wird der Raumbedarf auf Kosten des Herstellungspreises verringert, und wenn es sich um primitive Linsen handelt, wird der Raumbedarf der Ablenkvorrichtung unzulässig groß.

Die Ablenkvorrichtungen mit einer akusto-optischen Ablenkzelle können zwischen einer kohärenten Strahlungsquelle und einem Projektionsobjektiv verwendet werden, damit auf einem Substrat ein praktisch punktförmiger Lichtfleck gebildet wird; dieser Lichtfleck muß eine Anzahl von unterschiedlichen Lagen im Innern eines Substratbereichs von geringer Ausdehnung einnehmen. Für sich allein betrachtet sind die akusto-optischen Ablenkvorrichtungen in der Lage, ein dünnes Bündel mit geringer Divergenz in einer großen Anzahl von verschiedenen Richtungen abzulenken, die in einem verhältnismäßig großen Winkelbereich enthalten sind. Wenn jedoch eine solche Ablenkvorrichtung einem Projektionsobjektiv zugeordnet wird, muß man sich nicht nur mit den Aberrationen der Ablenkvorrichtung befassen, sondern auch mit denjenigen des Objektivs. Wenn der Querschnitt des abgelenkten Bündels klein ist, ist es in der Praxis notwendig, ein Objektiv mit kleiner Brennweite zu verwenden,

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Andererseits muß im Hinblick auf den großen Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung und die Tatsache, daß der Drehpunkt des abgelenkten Bündels im Inneren liegt, ein Objektiv mit großer numerischer Öffnung gwählt werden. Unter diesen Bedingungen muß die Korrektur der Aberrationen des Objektivs sehr weit getrieben werden, woraus sich ein unzulässig hoher Preis der Projektionsanordnung ergibt.

Nach der Erfindung ist ein akusto-optisches Ablenksystem zur Ablenkung eines monochromatischen Strahlungsenergiebündels, das nacheinander durch eine erste anamorphofische optische Vorrichtung, wenigstens eine akusto-optische Ablenkzelle und eine zweite anamorphotische optische Vorrichtung geht, wobei die Ablenkzelle ein von dem Bündel durchquertes brechendes Medium und eine Einrichtung zur Aussendung einer Ultraschallwelle enthält, die den Brechungsindex des Mediums derart moduliert, daß das Bündel in einer Ablenkebene abgelenkt wird, die senkrecht zu der Wellenebene der Ultraschallwelle steht, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der anatnorphotischen optischen Vorrichtungen durch wenigsten ein Prisma gebildet ist, das aus einem Material mit dem Brechungsindex η für die Wellenlänge des Strahlungsenergiebündels geformt ist und Eintritts- und Austrittsflächen aufweist, die zueinander in einem Winkel0 stehen, dessen Cotangens im wesentlichen gleich dem Brechungsindex ist, und daß die Eintritts- und Austrittsflächen des Prismas senkrecht zu der Ablenkebene oder zu der V/ellenebene stehen und so gerichtet sind, daß das Bündel beim Durchgang durch das Prisma nur eine einzige Richtungsänderung erfährt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

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Pig. 1 und 2 Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung,

Pig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Ablenkvorrichtung nach der Erfindung,

Pig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Einriehtungs-Ablenkvorrichtung, die mehrere Kanäle aufweisen kann,

Pig. 5 eine perspektivische Ansicht einer zweistufigen Zweirichtungs-Ablenkvorrichtung,

Pig. 6 und 7 erläuternde Darstellungen,

Pig. 8 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Ablenksystems,

Pig. 9 eine perspektivische Ansicht von noch einer anderen Ausführungsform des Ablenksystems und

Pig.10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Ablenksystems.

Die Erfindung bezieht sich auf die akusto-optische Ablenkung von im wesentlichen monochromatischen Strahlungsenergiebündeln; die Strahlungsenergie kann je nach Lage des Falls sichtbares Licht, Infrarotlicht oder Ultraviolettlicht sein. Als Beispiel soll in der folgenden Beschreibung angenommen werden, daß das abzulenkende Bündel ein paralleles Lichtbündel ist, das von einem Argonlaser stammt.

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Fig. 1 zeigt ein Prisma 1, das aus einem brechenden Material geschnitten ist, das für die Wellenlänge des betreffenden Lichtbündels den Brechungsindex η hat.

Die schrägen Flächen 3 und 4 des Prismas 1 bilden miteinander einen Winkel, der gleich dem Komplement des Brewster-Winkels0ist. Für diesen Winkel ©gilt, daß eine Lichtwelle, deren elektrischer Vektor in der Einfallsebene liegt, ohne Reflexion gebrochen wird. Für ein von Luft umgebenes Prisma ist der Brewster-Winkel© durch die folgende Gleichung gegeben:

tg Θ = n.

Der Lichtstrahl 5 trifft auf die Fläche 3 des Prismas 1 am Punkt N mit einem Einfallswinkel Θ in Bezug auf die Normale 2 auf; er wird im Innern des Prismas gebrochen und tritt senkrecht zur Fläche 4 aus. Man kann diesen Punkt sehr leicht aufgrund der vorstehenden Gleichung nachprüfen.Ein Lichtstrahl6,der im Abstand D₁ parallel zum Lichtstrahl 5 liegt, tritt in das Prisma 1 am Punkt M ein und verläßt dieses im Abstand D_Q vom Lichtstrahl 5. Die Strahlen 5 und 6 begrenzen ein paralleles Lichtbündel, dessen Ausdehnung in der Zeichenebene von Fig. 1 sich im Verhältnis K = DqZD₁ ändert, wenn dieses Bündel das Prisma von links nach rechts durchläuft. Wenn der Querschnitt des Bündels an der linken Seite kreisrund ist, wird er an der rechten Seite elliptisch, weil seine Ausdehnung senkrecht zu der Zeichenebene von Fig. 1 keine Änderung erfahren kann. Die Anamorphose des Bündelquerschnitts kann sehr leicht aufgrund der gleich großen rechtwinkligen Dreiecke MNR und MQN berechnet werden; man erhält die folgende Beziehung:

K _s _^_ _{= tg0= n}

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Diese Gleichung zeigt, daß die Vergrößerung K gleich dem Brechungsindex η des Prismas 1 ist. Diese Eigenschaft ist offensichtlich umkehrbar und kann dazu verwendet v/erden, den Querschnitt eines Licht "bündel s in einer Richtung zu verbreitern oder zu verringern.

Eine weitere, ebenso bemerkenswerte Eigenschaft des mit dem Brewster¹sehen Einfallswinkel verwendeten Prismas ergibt sich aus einer Betrachtung eines Lichtstrahls 7» der mit dem Lichtstrahl 5 beim Eintritt in die Fläche des Prismas 1 einen Winkel dS^ bildet. Da der Lichtstrahl 7 in das Prisma unter einem Einfallswinkel eindringt, der in der Nähe der Normalen auf die Fläche liegt, wird er im Innern des Prismas unter einem Winkel gebrochen, der im wesentlichen gleich dS_Q/n ist. Der gebrochene Lichtstrahl 7 erreicht die Fläche 3 am Punkt N.. unter dem Einfallswinkel (π/2 -Θ- dS₀/n). Beim Austritt aus der Fläche 3 bildet der Lichtstrahl 7 mit der Normalen im Punkt N.. einen Winkel (θ- dS..), wobei dS^ die Richtungsänderung des Lichtstrahls 7 in Bezug auf den Lichtstrahl 5 darstellt.

Durch Anv/endung des Brechungsgesetaes für die schräge Brechung am Punkt N₁ erhält man die folgende Bedingung:

dS .,) = η sin (-ξ- -Θ - -~

sin (θ- dS.,) = η sin (-ξ- -Θ -

die sich aufgrund der Beziehung tgo= η vereinfachen läßt. Man erhält schließlich die Beziehung:

Die vorstehende Beschreibung läßt die Tatsache erkennen, daß das Prisma 1 in der Lage ist, ohne die geringste

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Aberration zu verursachen, nicht nur die Breite eines Bündels im Verhältnis η zu ändern, sondern auch den Ablenkwinkel des gleichen Bündels in dem Verhältnis η zu ändern. Mit anderen Worten: Wenn die Breite des Bündels mit η multipliziert wird, wird sein Ablenkwinkel durch η dividiert, und umgekehrt.

Palis das Lichtbündel so polarisiert ist, daß sein elektrischer Vektor in der Zeichenebene enthalten ist, ist die Energieübertragung beim Durchgang durch die Fläche 3 ausgezeichnet; nur der Durchgang durch die Fläche 4 verursacht einen geringfügigen Verlust, den man durch eine geeignete optische Behandlung dieser Fläche' beseitigen kann.

Fig. 2 zeigt eine Prismenkette aus Prismen 1, 8, 9» die in der gleichen Weise wie das Prisma von Fig. 1 geschnitten und ausgerichtet sind. Es ist zu erkennen, daß die einander zugewandten Flächen von zwei aufeinanderfolgenden Prismen miteinander den Brewster-Winkel© einschließen, und daß das gleiche für die beiden anderen Flächen gilt. Wenn, ρ die Anzahl der die Prismenkette von Fig. 2 bildenden Prismen ist, gilt:

dS₀

- »ρ

Diese sehr einfache Beziehung läßt sich dadurch nachprüfen, daß die Lichtstrahlen 11, 10 und 12 gezeichnet werden, die den Lichtstrahlen 5, 6 bzw. 7 von Fig. 1 entsprechen; D, stellt die Breite des Bündels am Ausgang des Prismas 9 dar, und S₇ ist sein Ablenkwinkel, wenn es um dS_Q am Eingang des Prismas 1 abgelenkt wird.

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Die Erfahrung zeigt, daß ein optisches System der in Pig. 2 dargestellten Art einen geringen Raumbedarf und einen Lichtwirkungsgrad in der Nähe von Eins aufweist und vollkommen frei von Aberrationen ist; dies gilt für einen Ablenkbereich, der etwa 15° erreicht, wenn drei Prismen verwendet werden, die aus einem brechenden Material mit einem Brechungsindex in der Nähe von 1,8 geschnitten sind. Ferner haben die aus dem Prisma 9 austretenden Anteile einen Drehpunkt, der in der Nahe der Austrittsfläche dieses Prismas liegt.

Pig. 3 zeigt ein akusto-optisches Ablenksystem mit einer akusto-optischen Ablenkzelle, die aus einem elastischen Stab 15 aus brechendem Material besteht. Am einen Ende dieses Stabes ist ein elektromechanischer Wandler 16 befestigt, der durch eine Wechselspannung erregt wird, die von einen frequenzveränderlichen Generator 17 kommt. Der Wandler 17 erzeugt in dem Stab ein Ultraschallenergiebündel 20, das seinen Brechungsindex moduliert; der Stab verhält sich dann wie ein geschichtetes Medium, das in der Lage ist, ein Lichtbündel von seinem Eintrittsweg abzulenken, wobei der Abschnitt 24 des Lichtbündels mit der Ultraschallwelle 20 zur Erzeugung der Ablenkung dx in Wechselwirkung tritt. Wenn die Ultraschallfrequenz unter dem Einfluß eines dem Eingang 21 des Generators 17 zugeführten Steuersignals geringfügig geändert wird, beobachtet man bekanntlich eine entsprechende Änderung des Ablenkwinkels dx. Es ist auch bekannt, daß die Intensität des abgelenkten Lichtbündeis nur dann im wesentlichen gleich der Intensität des einfallenden Lichtbündeis ist, wenn die Ultraschallenergiedichte in der Wechselwirkungszone einen geeigneten Wert hat; es ist auch erforderlich, daß der Änderungsbereich des Winkels dx einige Grade nicht überschreitet.

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Diese beiden Bedingungen haben zur Folge, daß die akusto-optische Ablenkzelle, für sich allein genommen, im wesentlichen ein Ablenksystem mit kleiner Ablenkamplitude ist.

Wenn eine große Anzahl von verschiedenen Richtungen in dem Ablenkbereich mit einem im wesentlichen gleichförmigen optischen Wirkungsgrad erhalten werden sollen, ist es offensichtlich erforderlich, daß ein Lichtbündel von beträchtlicher Breite durch die Ablenkzelle geht. Wenn der Querschnitt des Bündels kreisrund ist, ist die Wechselwirkungszone umfangreich, und sie erfordert eine hohe Ultraschalleistung, so daß für eine Frequenz von mehreren zehn Megahertz ein verhältnismäßig teurer elektrischer Generator angewendet werden muß.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist die akusto-optische Ablenkzelle von Fig. 3 zwischen zwei Prismenketten angeordnet, nämlich einer ersten Prismenkette 13, 14 an der Eintrittsseite und einer zweiten Prismenkette 18, 19 an der Austrittsseite. Ein Lichtbündel breitet sich im Innern des optischen Systems von Fig. 3 so aus, wie der schraffierte Bereich zeigt, der zwischen zwei Lichtstrahlen liegt, von denen der eine durch eine gestrichelte Linie und der andere durch eine strichpunktierte Linie dargestellt sind. Der Abschnitt 22 des Lichtbündels entspricht beispielsweise einer ebenen Welle P_Q, die unter dem Brewster-WinkelGauf die Eintrittsfläche des Prismas 13 trifft. Der Abschnitt 23 des Bündels tritt aus dem Prisma 13 mit einer im Verhältnis η vergrößerten Breite aus. Das Prisma 14 wirkt in gleicher Weise und liefert zu der Ablenkzelle 15 ein Bündel, dessen stark verbreiterter Abschnitt 24 durch die Ultraschallwelle 20

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um den Winkel dx abgelenkt wird. Am Ausgang der Ablenkzelle 15 übertragen die Prismen 18 und 19 Bündelabschnitte 25 und 26 mit abnehmenden Breiten. Das aus dem System von Pig. 3 austretende Licht bleibt eine ebene Welle P..; unter der Voraussetzung, daß auf jeder Seite der Ablenkzelle 5 die gleiche Anzahl von Prismen verwendet wird, hat das Bündel 26 genau die gleiche Form wie das Eintrittsbündel 22.

Wenn man die Frequenz der Ultraschallwelle ändert, ändert sich die Ablenkung dx um einen Betrag, der in einem schmalen Bereich bleibt. Dagegen erfährt der Abschnitt 26 des Bündels eine Richtungsänderung, die gleich diesem Betrag multipliziert mit τοΡ ist. Die beträchtliche Verstärkung der Ablenkung, die sich aus der Wirkung der Prismenketten 18, 19 ergibt, wird automatisch erhalten, während gleichzeitig das abgelenkte Bündel wieder seine ursprüngliche Form annimmt. Die Prismenkette 13» 14 liegt vor der Ablenkzelle und trägt daher nichts zur Vergrößerung des Ablenkwinkels des Bündels bei. Sie ergibt jedoch den beträchtlichen Vorteil, daß die Verbreiterung des abzulenkenden Bündels in der Ablenkebene besser als mit jedem anderen optischen System erreicht werden kann.

Die Verwendung der Prismen 18 und 19 erweitert den Anwendungsbereich der akusto-optischen Ablenkzellen; die Hinzufügung von Prismen ist ferner ein ausgezeichnetes Mittel zur Verringerung des Raumbedarfs und des Ultraschallenergieverbrauchs.

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform des akusto-optischen Ablenksystems. Die akusto-optische Ablenkzelle 31 enthält einen elastischen Stab, der die von der Strahlungsquelle 27 kommende Strahlungsenergie überträgt. An einem Ende des Stabes sind elektromechanische Wandler 36 und 37 angebracht, die sehr scharf gerichtete

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Ultraschallbündel aussenden können. Diese Wandler werden von Generatoren 38 bzw. 39 erregt, die Wechselspannungen abgeben, deren Frequenzen sich in Übereinstimmung mit Ablenksignalen ändern, die den Eingängen 40 bzw. 41 zugeführt werden. Zu beiden Seiten der akusto-optischen Ablenkzelle 31 sind Prismenketten 28, 29, 30 bzw. 32, 33, 34 angeordnet.

Fig. 4 zeigt den Weg eines von der Quelle 27 ausgestrahlten schmalen Energiebündels 35. Dieses schmale Energiebündel 35 ist ein paralleles Bündel mit einem kreisrunden Querschnitt, der sich beim Durchgang durch die Prismen 28, 29 und 30 in Abschnitte mit immer breiterem elliptischem Quersciinitt umformt. Auf der Höhe der Ablenkzelle 31 ist die ausgestrahlte Energie in einem sehr abgeflachten Volumen enthalten, das gestrichelt dargestellt ist. Dieees Volumen liegt, im Weg der Ultraschallenergie, die beispielsweise von dem Wandler 36 ausgesendet wird; sie läßt ein abgelenktes Bündel entstehen, das nacheinander durch die Prismen 32, 33 und 34 geht. Am Ausgang des Prismas 34 hat das abgelenkte Bündel 44 wieder den kreisrunden Querschnitt angenommen, den es ursprünglich hatte. Die zum Wandler 36 gelieferte Ultraschallenergie ist beträchtlich kleiner als die Energie, die geliefert werden müßte, wenn das abzulenkende Bündel einen Durchmesser hätte, der der großen Achse des wirklichen elliptischen Querschnitts vergleichbar wäre. Die Erfahrung zeigt, daß durch Anwendung einer Kette von drei Prismen die für die vollständige Ablenkung der Strahlungsenergie erforderliche Ultraschall-Erregungsleistung auf den zehnten Teil verringert v/erden kann.

Das System von Fig. 4 ermöglicht die Ablenkung mehrerer getrennter Bündel in parallelen Ebenen. Zu diesem Zweck

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genügt es, den Stab 31 mit mehreren Wandlern 36, 37 usw. zu versehen. Es versteht sich von selbst, daß man zur Bildung eines Mehrkanal-Ablenksystems auch mehrere übereinanderliegende Stäbe vorsehen kann. Man kann auch zwischen den Prismenketten mehrere Stäbe in Kaskade anordnen, damit eine Gesamtablenkung aufgrund von mehreren Elementarablenkungen erhalten wird, deren Amplituden sich' addieren.

Die in Pig. 4 in vollen Linien dargestellte Ablenkvorrichtung ist frei von Aberrationen; sie eignet sich daher zur verzerrungsfreien Übertragung von jeder Art von räumlicher Modulation, die dem abzulenkenden Bündel erteilt wird. Der hinsichtlich der Ultraschall-Erregungsleistung erzielbare Gewinn kann noch dadurch erhöht werden, daß vor und hinter dem System 28 bis 34 Zylinderlinsen 42 und 43 angeordnet werden, die ein äfokales System bilden, dessen Konvergenzpunkt in der Wechselwirkungszone des Stabes 31 liegt. Diese Maßnahme ermöglicht es, die kleine Achse des elliptischen Querschnitts des Bündels im Innern der Ablenkzelle noch feiner zu machen. Hierdurch wird keine merkliche Verzerrung verursacht, denn die Linsen 42 und 431iegen an Punkten, an denen das Bündel sehr dünn im Vergleich zur Brennweite ist.

Anstelle der Verwendung von Zylinderlinsen 42 und 43 kann man auch das Bündel in der Richtung senkrecht zur Ablenkebene mit Hilfe von Prismen dünner machen, die demjenigen von Pig. 1 ähnlich sind.

Die Übertragung der Strahlungsenergie durch das beschriebene Ablenksystem erfolgt mit einem hohen Wirkungsgrad; an jeder zweiten Prisraenfläche wird nämlich die Energie

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unter dem Brewster-Winkel empfangen oder abgegeben, und die übrigen Prismenflächen verursachen nur geringe Verluste. Man kann jedoch diese geringen Verluste durch eine optische Behandlung der betreffenden Flächen noch beseitigen. Die Prismen 30 und 32 können in einer allgemein bekannten Klebetechnik fest mit den Seitenflächen der Ablenkzelle 31 verbunden werden. Man kann auch die aus den Teilen 30, 31 und 32 bestehende Anordnung in einem Stück aus einem Material mit großem Brechungsindex η schneiden, das gute akusto-optische Ablenkeigenschaften hat.

Fig. 5 zeigt in perspektivischer Ansicht ein akustooptisches Zweirichtungs-Ablenksystem. Es enthält eine erste Ablenkvorrichtung mit einer an einen Generator 51 angeschlossenen akusto-optischen Ablenkzelle 47, 50 und mit zwei Prismenketten 45, 46 und 48, 49.

Am Ausgang der ersten Ablenkvorrichtung ist senkrecht dazu eine zweite Ablenkvorrichtung angeordnet, die eine mit einem Generator 59 verbundene akusto-optische Ablenkzelle 55, 58 und zwei Prismenketten 53, 54 und 56, 57 enthält. Ein Lichtstrahl geht entlang der gestrichelten Linie durch das Ablenksystem von Fig. 5. Der Abschnitt dieses Lichtstrahls erfährt in Bezug auf den Abschnitt eine Ablenkung in einer Ebene, die parallel zu den Dreiecksflächen der Prismen 45, 46, 48, 49 liegt. Der Abschnitt 63 des gleichen Lichtstrahls erfährt eine Ablenkung in einer Ebene, die parallel zu den Dreiecksflächen der Prismen 53, 54, 56, 57 liegt. Die Zweirichtungs-Ablenkung wird dadurch erhalten, daß den Eingängen 52 und 60 der Generatoren 51 bzw. 59 Ablenkspannungen zugeführt werden, welche die Frequenz der Ultraschallwellen ändern, die von den elektromechanischen Wandlern 50 und 58 erregt werden. In Fig. 5 ist zu erkennen, daß

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die rechte Ablenkvorrichtung schmäler als die linke Ablenkvorrichtung ist; dieser Unterschied ist umso größer, je größer die Längsausdehnung der Ablenkvorrichtungen ist. Da die beschriebenen Ablenkvorrichtungen verhältnismäßig kurz sind, ist auch die Querausdehnung der zweiten Ablenkvorrichtung gering.

Es ist zu bemerken, daß die in Pig. 3» 4 und 5 dargestellten Ablenksysteme hinter einer lichtquelle als Schnellabtasteinrichtung verwendet werden können, jedoch auch mit einem fotoelektrischen Wandler verbunden werden können, damit die Lichteraission, die von einem mit quasimonochromatischem Licht angestrahlten Objekt kommt, mit großer- Geschwindigkeit analysiert werden kann. In Verbindung mit einer Sammellinse können die akusto-optischen Ablenksysteme als Lichtbündelumsetzer arbeiten.

In bestimmten Anwendungsfällen kann man einem Ablenksystem ein Projektionsobjektiv zuordnen, damit auf einem Bildschirm ein Lichtfleck erzeugt wird, der sich in einer oder mehreren verschiedenen Richtungen bewegen kann. Bei dieser Anwendungsart ist es zweckmäßig, ein Projektionsobjektiv mit verhältnismäßig großer Brennweite und mäßiger numerischer Öffnung zu verwenden; in diesem Pail ist diesem Projektionsobjektiv ein akusto-optisches Ablenksystem zuzuordnen, dessen abgelenktes Bündel einen merklichen Teil der Pupille des Objektivs beleuchtet und sich bei der Ablenkung nur wenig auf dieser Pupille bewegt. Da sich das Objektiv nicht im Drehpunkt des Bündels befinden kann, muß die Ablenkamplitude entsprechend verringert werden.

Pig. 6 zeigt ein Projektionssystem, das einen Lichtfleck auf einen Schirm 66 wirft. Dieses System enthält eine

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Lichtablenkvorrichtung 64 und ein Projektionsobjektiv 65. Las Lichtbündel 67 beleuchtet die Mitte eines Bereichs Δ L des Schirms 66, kann jedoch unter der Wirkung der Ablenkvorrichtung 64 die Extremstellung 68 einnehmen, die der Beleuchtung des rechten Randes des Bereichs AL entspricht.

In Pig. 6 ist angenommen, daß das Bündel 67 ein paralleles Bündel mit kleinem Querschnitt ist, das eine beträchtliche Winkelablenkung erfahren kann, wobei aber zur Erzielung eines sehr feinen Lichtflecks der Konvergenzwinkel α verhältnismäßig groß gewählt ist. Daraus ergibt es sich, daß die Linse 65 eine kurze Brennweite haben muß und in kleinem Abstand von dem Schirm 66 liegen muß. Trotz der kleinen Brennweite bleibt der Bereich Δ L wegen der beträchtlichen Ablenkatnplitude der Ablenkvorrichtung 64 verhältnismäßig ausgedehnt.

Das System von Fig. 6 macht von einer Linse 65 mit großer numerischer öffnung Gebrauch, denn deren Pupille muß ausreichend groß sein, daß sie das Bündel 67 in allen von der Ablenkvorrichtung 64 vorgegebenen Richtungen empfangen kann. Es ist auch festzustellen, daß die Aberrationen in einem ausgedehnten PeId in vollkommener Weise korrigiert sein müssen, so daß es schwierig ist, alle diese Bedingungen mit Objektiven geläufiger Konstruktion zu erfüllen.

Um die Verwendung außerordentlich teurer Objektive zu vermeiden, kann man die Betriebseigenschaften der akustooptischen Ablenkvorrichtung ändern.

Pig. 7 zeigt ein Ablenksystem, das mit einer Linse 65 ausgebildet ist, deren Brennweite K Mal größer als bei der entsprechenden Linse von Pig. 6 ist. Zur Erleichterung

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des Vergleichs sind der gleiche Bereich AL und der gleiche Durchmesser des Lichtflecks beibehalten worden; es ist daher ein abgelenktes Bündel gewählt worden, dessen Querschnitt um das K-fache größer und dessen Ablenkwinkelamplitude um das K-fache kleiner sind. In Pig. 7 ist festzustellen, daß der Durchmesser der Linse 65 kaum größer als der Durchmesser des Bündels 67 ist, und daß ihre numerische Öffnung bei weitem kleiner als die Öffnung ist, die im Pail von Pig. 6 vorgesehen werden mußte. Daraus geht hervor, daß die Korrektur der Aberrationen des Projektionsobjektivs beträchtlich erleichtert ist, vorausgesetzt, daß dieses Projektionsobjektiv einer Ablenkvorrichtung zugeordnet wird, die ein Bündel von großem Querschnitt liefert, das verhältnismäßig wenig abgelenkt wird.

Ein dem Prinzipschema von Pig. 7 entsprechendes Ablenksystem ist in Pig. 8 dargestellt. Es besteht aus einer ersten Prismenkette 70, 71, einer zweiten Prismenkette 76, 77 und einer akusto-optischen Ablenkzelle, die durch einen elastischen Stab 72 gebildet ist, in dem ein Ultraschallbündel mit Hilfe eines elektromechanischen Wandlers 73 erregt wird.

Der Wandler 73 wird von einem elektrischen Generator 74 erregt, dessen Schwingungsfrequenz durch ein Ablenksignal gesteuert wird. Das Ablenksystem von Pig. 8 empfängt ein Lichtbündel 69 mit kleinem kreisrundem Querschnitt und liefert ein abgelenktes Bündel 78 mit vergrößertem kreisrundem Querschnitt, das in das Projektionsobjektiv 79 eintritt.

Bekanntlich erfährt das Bündel 69 eine Anamorphose seines Querschnitts beim Durchgang durch die Prismenkette 70,

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Am Ausgang der Ablenkzelle 72, 73 erhält man ein Bündel 75, dessen elliptischer Querschnitt eine merkliche Verbreiterung in der X-Richtung aufweist. Diese Verbreiterung begünstigt die akusto-optische Wechselwirkung mit der Ultraschallwelle, die sich in der Ablenkzelle 72 in der X-Richtung ausbreitet. Ferner ist die Ablenkebene des Bündels 75 die XZ-Ebene, die senkrecht zu den schrägen Eintritts- und Austrittsflächen der Prismen 70 und 71 steht. Wenn man hinter der Ablenkzelle 72 eine Prismenkette anordnen würde, die in Bezug auf die XY-Ebene spiegelbildlich zu der Prismenkette 70, 71 wäre, würde man am Eingang des Objektivs 79 ein stark abgelenktes Bündel erhalten, das genau den gleichen Querschnitt wie das einfallende Bündel 69 hätte.

Bei der Anordnung von Fig. 8 sind aber die schrägen Flächen der Prismen 76, 77 der hinter der Ablenkzelle 72 liegenden Prismenkette so angeordnet, daß ihre gemeinsamen Kanten parallel zu der Ablenkebene XZ liegen. Außerdem sind die Prismenketten 76, 77 und 70, 71 gleich, und sie werden von dem Licht in der gleichen Richtung durchlaufen. Es bestehen also zwei aufeinanderfolgende Anamorphosen, die die Wirkung ergeben, daß der Querschnitt des Bündels zunächst in der Richtung der X-Achse und anschließend in der Richtung der Y-Achse gedehnt wird. Das Bündel 78 hat also einen kreisrunden Querschnitt, dessen Durchmesser wesentlich größer als der Durchmesser des Querschnitts des einfallenden Bündels 69 ist. Da die schrägen Eintritts- und Austrittsflächen der Prismen 76 und 77 senkrecht zur YZ-Ebene stehen, erhält man keine Ablenkverstärkung beim Durchgang durch diese Prismen. Das Fehlen einer solchen Verstärkung ist jedoch in keiner Weise störend, wie anhand von Fig. 7 erläutert worden ist.

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Die Anordnung von Fig. 8 ist ein akusto-optisches Ablenksystem mit einer einzigen Ablenkrichtung, das ein dünnes Bündel 69 in geeigneter Weise ablenken kann.

Dieses System kann auch ohne weiteres in umgekehrter Richtung verwendet werden. In diesem Fall ist das breite Bündel 78 das einfallende Bündel, das abgelenkt werden soll, und das dünne Bündel 69 wird das abgelenkte Bündel. Diese Art der Verwendung des Ablenksystems von Fig. 8 erweist sich dann als vorteilhaft, wenn die Lichtquelle eine inkohärente Lichtquelle ist, denn bekanntlich ist es mit solchen Lichtquellen nicht möglich, im wesentlichen parallele dünne Bündel zu erhalten, wie dies bei Lasern der Fall ist.

In zahlreichen Anwendungsfällen begnügt man sich nicht damit, ein Projektionsobjektiv in Verbindung mit einem einzigen akusto-optischen Ablenksystem zu verwenden. Wenn eine Fläche in zwei zueinander senkrechten Richtungen X und Y abgetastet werden soll, werden zwei Ablenksysteme in Kaskade angeordnet.

Fig. 9 zeigt ein akusto-optisches XY-Abtästsystem zur Abtastung eines Schirms 99 mit Hilfe eines Lichtbündels 81, das von einer kohärenten Quelle 80 abgegeben wird. Eine erste akusto-optische Ablenkvorrichtung 82, 83, 84, 85, 86, 87, 92 bewirkt unter der Steuerung durch ein Signal S_x die Ablenkung des dünnen Bündels 81 in der X-Richtung. Das vom dieser ersten Ablenkvorrichtung abgegebene dünne Bündel wird von einer zweiten akusto-optischen Ablenkvorrichtung 89, 90, 91, 93, 94, 95, 96 empfangen, die unter der Steuerung des Signals Sy die Ablenkung des dünnen Bündels 88 in der Y-Richtung vornimmt. Das abgelenkte Bündel 97 besitzt einen vergrößerten Querschnitt, damit es einen merklichen Teil der Pupille des Projektionsobjektivs 98 bedeckt.

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Wegen der jeweiligen Orientierungen der Prisraenketten 82, 83 und 85, 86 hat das Bündel 88 genau den gleichen Querschnitt wie das Bündel 81; ferner weist das Bündel 88 infolge des Durchgangs durch die Prismen 85 und 86 eine Ablenkverstärkung auf, die beim Durchgang durch die Prismen 89 und 90 erhalten bleibt. Diese Ablenkverstärkung wird jedoch beim Durchgang durch die Prismen 94 und 95 wieder beseitigt.

Die zweite akusto-optische Ablenkvorrichtung hat die gleiche Wirkungsweise wie die Ablenkvorrichtung von Fig. 8, Man erhält also in der zweiten Ablenkvorrichtung keine Ablenkverstärkung, jedoch eine beträchtliche Verbreiterung des Querschnitts des Bündels 97. Insgesamt ergibt das Ablenksystem von Fig. 9 die gleichen Vorteile wie das Ablenksystem von Fig. 8. Da die Anforderungen hinsichtlich der Aberrationen des Projektionsobjektivs 98 verringert sind, ist es möglich, das Projektionsobjektiv in Form einer bei kohärentem Licht verwendbaren holographischen Linse auszuführen; infolge des Fehlens von Aberrationen in den Ablenkvorrichtungen wird jede Verzerrung der Wellenflächen vermieden, welche die holographische Linse beleuchten.

Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform eines akustooptischen XY-Abtastsystems zur Abtastung eines Schirms mit Hilfe einer kohärenten Quelle 100.

Das Ablenksystem von Fig. 10 enthält eine erste akustooptische Ablenkvorrichtung 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, die genau in der gleichen Weise wie das Ablenksystem von Fig. 8 arbeitet. Das einfallende dünne Bündel 101 wird in ein breites Bündel 109 umgeformt, das in Abhängigkeit von dem Steuersignal S_x in der X-Richtung abgelenkt wird.

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Eine zweite akusto-optische Ablenkvorrichtung 110, 111, 112, 113} 114, 115, 116 ist zwischen der ersten Ablenkvorrichtung und dem Projektionsobjektiv 118 angeordnet, damit es die Ablenkung in der Y-Richtung unter der Steuerung durch das Signal Sy durchführt.Die Prismenketten 110, 111 und 115, 116 sind so angeordnet, daß das Bündel 109 eine Querschnittsverringerung am Eintritt der Ablenkzelle 112 erfährt, und daß der ursprüngliche Wert des Querschnitts am Eingang des Objektivs 118 wiederhergestellt ist. Der Durchgang durch die Prismenketten (107, 108), (110, 111) und (115, 116) ergibt keine Ablenkverstärkung, so daß das Bündel 117 verhältnismäßig wenig abgelenkt ist; dies ist kein Nachteil, weil das Objektiv 118 eine beträchtliche Brennweite hat.

Hinsichtlich des Ablenksystems von Fig. 10 können die gleichen Bemerkungen wie für das Ablenksystem von Pig. gemacht werden. Die Linse 118 kann gegebenenfalls eine' holographische Linse sein, und die Anordnung kann dazu dienen, ein breites Bündel 117 in ein dünnes Bündel 101 umzuformen.

Abschließend ist zu bemerken, daß die Fig. 9 und 10 alle möglichen Konfigurationen von akusto-optischen Ablenkvorrichtungen mit Prismenketten zeigen. Da sich diese nur durch die Orientierung der Prismen und ihrer Reihenfolge unterscheiden, ist ea möglich, ein Universalbauteil herzustellen, das an jede beliebige Anwendungsform dadurch angepaßt werden kann, daß drei Baugruppen aneinandergefügt werden, die aus einer ersten Prismenkette, einerAblenkzelle bzw. einer zweiten Prismenkette bestehen.

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Claims

Patentansprüche

Iy Akusto-optisches Ablenksystem zur Ablenkung eines monochromatischen Strahlungsenergiebündels, das nacheinander durch eine erste anatnorphotische optische Vorrichtung, wenigstens eine akusto-optische Ablenkzelle und eine zweite anamorphotisehe optische Vorrichtung geht, wobei die Ablenkzelle ein von dem Bündel durchquertes brechendes Medium und eine Einrichtung zur Aussendung einer Ultraschallwelle enthält, die den Brechungsindex des Mediums derart moduliert, daß das Bündel in einer Ablenkebene abgelenkt wird, die senkrecht zu der Wellenebene der Ultraschallwelle steht, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der anamorphotischen optischen Vorrichtungen durch wenigstens ein Prisma gebildet ist, das aus einem Material mit dem Brechungsindex η für die Wellenlänge des Strahlungsenergiebündels geformt ist und Eintritts- und Austrittsflächen aufweist, die zueinander in einem Winkel Θ stehen, dessen Cotangens im wesentlichen gleich dem Brechungsindex ist, und daß die Eintritts- und Austrittsflächen des Prismas senkrecht zu der Ablenkebene ©der zu der Wellenebene stehen und so gerichtet sind, daß das Bündel beim Durchgang durch das Prisma nur eine einzige Richtungsänderung erfährt.
2. Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittsflächen des Prismas senkrecht zu der Ablenkebene stehen.
3. Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittsflächen des Prismas senkrecht zu der Wellenebene der Ultraschallwelle stehen.

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4. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der anamorphotischen optischen Vorrichtungen eine Prismenkette aufweist, daß jedes Prisma der Prismenkette zwei Flächen hat, die senkrecht zu der Ablenkebene stehen und miteinander einen Winkel einschließen, der dem Komplement des Winkels© gleich ist, daß die einander gegenüberliegenden Flächen von zwei aufeinanderfolgenden Prismen der Prismenkette miteinander einen Winkel bilden, der gleich dem Winkel©ist, und daß die anderen Flächen der aufeinanderfolgenden Prismen miteinander einen Winkel bilden, der gleich dem Winkel© ist.
5. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4> dadurch gekennzeichnet, daß jede der anamorphotischen optischen Vorrichtungen wenigstens ein Prisma enthält, das zwei Flächen hat, die senkrecht zu der Ablenkebene stehen und miteinander einen Winkel einschließen, der gleich dem Komplement des Winkels Θ ist, und daß die Ablenkzelle einen Stab enthält, der zwei Seitenflächen hat, die jeweils einer Prismenfläche gegenüberliegen, die zu der ersten bzw. zu der zweiten anamorphotischen optischen Vorrichtung gehört.
6. Ablenksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen im wesentlichen parallel zu den gegenüberliegenden Prismenflächen liegen.
7. Ablenksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen in Berührung mit den gegenüberliegenden Prismenflächen stehen.
8. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anamorphotischen Vorrichtungen

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wenigstens teilweise durch zwei einen dreieckigen Querschnitt aufweisende Abschnitte eines prismatischen Blocks mit trapezförmigem Querschnitt gebildet sind, dessen mittlerer Abschnitt dem Stab entspricht, und daß elektromechanische Wandlereinrichtungen zur Erregung eines gerichteten Ultraschallenergiebündels in dem mittleren Abschnitt vorgesehen sind.
9. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fläche jedes Prismas einen Antireflexüberzug aufweist.
10. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei hintereinanderliegende Ablenkanordnungen vorgesehen sind, die jeweils durch eine zwischen Prismen bzw. Prismenketten liegende akustooptische Ablenkzelle gebildet sind und daß die Ablenkebenen der Ablenkanordnungen miteinander einen Winkel zwischen 0 und π/2 bilden.
11. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch zusätzliche erste und zweite anamorphotische Vorrichtungen, die ein afokales optisches System bilden, in dessen Innerem die anaraorphotischen Vorrichtungen und die Ablenkzelle angeordnet sind.
12. Ablenksystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen ersten und zweiten anamorphotischen Vorrichtungen jeweils durch eine von zwei zylindrischen Sammellinsen gebildet sind, die eine gemeinsame Brennlinie haben, und daß die Ablenkze]Ie entlang der Brennlinie angeordnet ist.

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13. Ablenksystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen anamorphotischen Vorrichtungen den anamorphotischen Vorrichtungen gleich sind, die den Ablenkzellen zugeordnet sind.
14. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkzelle einen prismatischen Stab enthält, der wenigstens einen elektromechanischen Wandler an einem seiner Enden trägt.
15. Ablenksystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Stabes mehrere elektromechanische Wandler trägt.
16. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, däß die erste anamorphotische optische Vorrichtung durch wenigstens ein Prisma gebildet ist, das zwei senkrecht zur Ablenkebene der Ablenkzelle angeordnete Schrägflächen hat, und daß die zweite anamorphotische optische Vorrichtung durch wenigstens ein Prisma gebildet ist, das zwei Schrägflächen hat, deren gemeinsame Kante parallel zu der Ablenkebene liegt und deren Winkel gleich dem Winkel Θ ist.
17. Ablenksystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite anamorphotische Vorrichtung jeweils eine Prismenkette enthält, die eine senkrecht zu den Eintritts- und Austrittsflächen der Prismen stehende Symmetrieebene hat, daß die Symmetrieebene der einen Prismenkette parallel zu der Ablenkebene der Ablenkzelle ist, daß die Symmetrieebene der anderen Prismenkette senkrecht zu der Ablenkebene der Ablenkzelle angeordnet ist, und daß die der Prismen der ersten und der zweiten anamorphotischen Vorrichtung von dem Lichtbündel in der gleichen Reihenfolge durchlaufen werden.

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18. Ablenksystem nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch ein Projektionsobjektiv, welches das von der Zweiten anamorphotischen optischen Vorrichtung kommende abgelenkte Bündel empfängt.
19. Ablenksystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionsobjektiv eine holographische Linse ist,
20. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Ablenkanordnung hintereinander angeordnet sind und jeweils aus einer akusto-optischen Ablenkzelle bestehen, die zwischen zwei einander gleichen Prismenketten liegt, und daß die Ablenkebene der beiden Ablenkanordnungen miteinander einen Winkel zwischen 0 und π/2 einschließen.
21. Ablenksystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieebene einer der Prismenketten senkrecht zu den Symmetrieebenen der drei anderen Prismenketten liegt, und daß die Reihenfolge der Prismen in der einen Prismenkette gegenüber der Reihefolge der Prismen in jeder der anderen Prismenketten umgekehrt ist.
22. Ablenksystem nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenketten einer der Ablenkanordnungen eine gemeinsame Symmetrieebene haben.
23. Ablenksystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Symraetrieebene parallel zu der Ablenkebene der Ablenkzelle der entsprechenden Ablenkanordnung liegt.
24. Ablenksystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Symmetrieebene senkrecht zu der Ablenkebene der Ablenkzelle der entsprechenden Ablenkanordnung liegt.

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