DE2942041C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtstrahlabtastsystem mit einem mehrere reflektierende Flächen aufweisenden Dreh­ spiegel, dem ein in einer Richtung sammelnd wirkendes, von einem parallelen Lichtstrahl beaufschlagtes optisches Element vorgeschaltet ist, durch welches auf der wirksamen Reflexionsfläche des Drehspiegels ein in Strahlablenkrichtung verlaufender Lichtstrich erzeugt wird, und mit einer dem Drehspiegel nachgeschalteten, sammelnden optischen Anordnung, mit der der reflektierte Lichtstrahl in einer abzutastenden Fläche fokussierbar ist.

In letzter Zeit sind mehrere Systeme entwickelt worden, mit denen Informationen unter Verwendung eines Abtast­ lichtstrahls, wie z. B. eines Laserstrahls, ausgelesen und aufgezeichnet werden können. Zu diesem System gehört das eingangs genannte, welches einen Drehspiegel verwendet. Selbst wenn die einzelnen Teile des Drehspiegels mit höchster Genauigkeit gefertigt werden, sind jedoch oft Abweichungen von der perfekten parallelen Lage der Drehachse und den reflektierenden Oberflächen vorhanden. Diese Toleranzschwankungen führen dazu, daß der Abtaststrahl in unerwünschter Weise senkrecht zu seiner Abtastrichtung verschoben wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die geometrischen Orte der abtastenden Lichtstrahlen in der Bildebene wegen der Reflexion an den verschiedenen Oberflächen des Drehspiegels keine gerade schmale Linie bilden, sondern relativ große Abweichungen von dieser Linie auftreten.

Das oben genannte Lichtstrahlabtastsystem ist in den Fig. 1A und 1B der vorliegenden Beschreibung dargestellt. Die Fig. 1A zeigt eine Draufsicht auf die durch den abtastenden Lichtstrahl beschriebene Ebene, Fig. 1B ist eine Seitenansicht. Bei diesem bekannten Lichtstrahl­ abtastsystem wird der einfallende Lichtstrahl nur in einer Richtung durch eine Zylinderlinse 11 in der Abtastebene auf den Drehspiegel fokussiert. Dadurch entsteht auf der jeweiligen Spiegelfläche eine lineare Abbildung. Der von der Spiegelfläche reflektierte Lichtstrahl gelangt durch eine zweite, positive Zylinderlinse 12, deren Achse parallel zur Abtastebene verläuft. Der Zylinder­ linse 12 ist eine sphärische Linse 13 nachgeschaltet, durch die ein Lichtpunkt auf der abzutastenden Fläche 16 erzeugt wird. In einer zur Abtastrichtung senkrechten Ebene wird in diesem Fall eine konjugierte Beziehung zwischen den Gegenstands- und Bildpunkten, d. h. zwischen der linearen Abbildung auf der Spiegelfläche und der punkt­ förmigen Abbildung auf der abzutastenden Oberfläche hergestellt. Selbst bei einer Neigung der Spiegelfläche bzw. der Drehachse des Drehspiegels wird der Lichtstrahl stets in derselben Lage auf der abzutastenden Oberfläche fokussiert.

Da die zweite Zylinderlinse 12 zwischen der Spiegel­ fläche 15 und der sphärischen Linse 13 angeordnet ist, muß die folgende Bedingung eingehalten werden:

f₁₂ < f₁₃ (1a)

Damit die geometrischen Orte der punktförmigen Abbil­ dungen auf einem Kreis liegen, muß weiterhin erfüllt sein:

f₁₁ = f₁₂ (1b)

wobei f₁₁ und f₁₂ die Brennweite der ersten, bzw. der zweiten Zylinderlinse und f₁₃ die Brennweite der sphärischen Linse 13 ist.

Die Brennweiten f₁₁ und f₁₂ der beiden Zylinderlinsen müssen kürzer als diejenige der sphärischen Linse sein. Wenn z. B. f₁₃ = 50 mm ist, so ergeben sich für f₁₁ und f₁₂ ungefähr 30 bis 35 mm. Zylinderlinsen mit solch kurzer Brennweite und gleichzeitig hoher Qualität herzu­ stellen, ist sehr schwierig und kostspielig. Wenn anderer­ seits die Brennweite f₁₁ der ersten Zylinderlinse so weit verkürzt wird, ändert sich die Abbildungsschärfe des Lichtstrahls auf der abzutastenden Oberfläche 16 bei einer Neigung der Spiegelfläche 15, da die Schärfentiefe äußerst gering ist.

In der offengelegten, japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 53-91 845 ist ein Lichtstrahlabtastsystem beschrieben, bei dem der oben angegebene Nachteil nicht auftritt. Dieses System ist in den Fig. 2A und 2B der vorliegenden Beschreibung dargestellt, wobei Fig. 2A eine Draufsicht und Fig. 2B eine Seitenansicht zeigt. Bei diesem System wird der einfallende Lichtstrahl durch eine erste positive Zylinderlinse 21 in einer Richtung fokussiert, die senkrecht zu der Abtastebene verläuft. Auf der Spiegelfläche 25 wird eine lineare Abbildung des Lichtbündels erzeugt. Dem Drehspiegel sind eine sphärische Linse 23 und eine positive Zylinderlinse 22 nachgeschaltet, durch die eine punktförmige Abbildung des Lichtbündels auf der abzu­ tastenden Oberfläche 26 erzielt wird. Dieses hier beschriebene Abtastsystem unterscheidet sich von dem oben genannten dadurch, daß die zweite positive Zylinderlinse 22 hinter der sphärischen Linse 23 angeordnet ist. Auch hier ist angestrebt, ein Auslaufen des Spiegels bei seiner Drehung bzw. einer Neigung der Spiegelflächen so auszugleichen, daß die Ab­ tastlinien stets in einer vorbestimmten Ebene liegen.

Da die zweite Zylinderlinse 22 zwischen der sphärischen Linse 23 und der abzutastenden Oberfläche 26 angeordnet ist, muß die folgende Ungleichung gelten:

f₂₂ < f₂₃ (2a)

Ferner muß die folgende Beziehung erfüllt werden, damit die geometrischen Orte der punktförmigen Abbildungen, die auf der abzutastenden Oberfläche 26 fokussiert werden, auf einem Kreisbogen liegen,

f₂₁ · f₂₂ = f₂₃² (2b)

wobei f₂₁ und f₂₂ die Brennweiten der ersten bzw. der zweiten Zylinderlinse 21 bzw. 22 und f₂₃ die Brennweite der sphärischen Linse 23 ist wenn z. B. f₂₃ = 50 mm beträgt, so muß die Brennweite f₂₁ ungefähr 83 bis 71 mm betragen. Dies bedeutet, daß die Brennweite f₂₁ der ersten Zylinderlinse 21 relativ lang sein kann, wodurch wiederum die Schärfentiefe zunimmt. Als Ergebnis hiervon kann die Veränderung der Konvergenz des Lichtstrahlen­ bündels auf der abzutastenden Oberfläche 26 aufgrund einer Verschiebung des Reflexionspunktes des Lichtstrahls auf der Spiegelfläche verringert werden. Da jedoch die zweite Zylinderlinse immer noch eine relativ kurze Brenn­ weite aufweisen muß, bleiben auch hier die oben erwähnten Schwierigkeiten bei der Fertigung einer qualitativ hochwertigen Zylinderlinse mit kurzer Brennweite erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Licht­ strahlabtastsystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die senkrecht zu der Abtastrichtung auftretenden Abweichungen möglichst klein gehalten werden, die auf Toleranzschwankungen der Parallel-Ausrichtung der reflektierenden Flächen des Drehspiegels zurück­ zuführen sind, und daß das Abtastsystem mit geringeren Kosten hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die nachgeschaltete sammelnde optische Anordnung in der Reihenfolge von dem Drehspiegel her umfaßt
eine erste sphärische sammelnde optische Einrichtung, die aus dem in Ablenkrichtung verlaufenden Lichtstrich auf der wirksamen Reflexionsfläche des Drehspiegels in einer Zwischenebene einen dazu senkrechten Licht­ strich entstehen läßt,
eine in Richtung des Lichtstrahls hinter der Zwischen­ ebene angeordnetes, in einer Richtung zerstreuend wirkendes optisches Element, mit dem der Lichtstrahl in Richtung senkrecht zur Abtastrichtung zerstreubar ist, und
eine zweite sphärische sammelnde optische Einrichtung, mit der der Lichtstrahl punktförmig auf der abzutastenden Fläche fokussierbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Lichtstrahlabtastsystem ist es nicht erforderlich, daß die optischen Elemente, welche nur in einer Richtung sammelnde bzw. zerstreuende Wirkung aufweisen, eine kurze Brennweite besitzen. Trotz relativ langer Brennweiten dieser optischen Elemente ist es möglich, die Abweichungen der Abtastlinie in der gleichen Weise wie beim Stand der Technik auszuschließen. Ferner können in vorteilhafter Weise Änderungen des Fokus­ sierungszustandes auf der abzutastenden Fläche verringert bzw. unterdrückt werden, da die erwähnten optischen Elemente lange Brennweiten aufweisen, wodurch die Schärfen­ tiefe erhöht wird.

Zwischen der zweiten linearen Abbildung in der Zwischen­ ebene und der punktförmigen Abbildung auf der abzuta­ stenden Oberfläche in Abtastrichtung sowie zwischen der ersten linearen Abbildung auf der Spiegelfläche und der punktförmigen Abbildung auf der abzutastenden Ober­ fläche in Richtung senkrecht zur Abtastrichtung bestehen jeweils definierte Gegenstands- und Bildpunkt­ beziehungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Bei einer dieser Weiterbildungen ist das in einer Richtung sammelnd wirkende optische Element vorteilhafterweise eine positive Zylinderlinse. Es ist aber im Rahmen der Erfindung möglich, eine positive, anamorphotische Linse bzw. ein anamorphotisches Objektiv, eine positive, torische Linse, einen konkaven, zylindrischen Parabol­ spiegel oder einen konkaven Zylinderspiegel zu verwenden.

Das in einer Richtung zerstreuend wirkende optische Element ist vorzugsweise eine negative Zylinderlinse. Im Rahmen der Erfindung kann aber auch eine negative, anamor­ photische Linse bzw. ein negatives anamorphotisches Objektiv, eine negative, torische Linse oder ein konvexer, zylindrischer Parabolspiegel verwendet werden.

Als positive optische Einrichtung können eine sphärische Linse, ein Parabolspiegel, ein sphärischer Spiegel oder ein aus diesen Elementen kombiniertes optisches System eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1(A) und 1(B) schematische Darstellungen des Strahlenverlaufs bei einem Strahl­ abtastsystem nach dem Stand der Technik in Abtastrichtung bzw. senkrecht zur Abtastrichtung,

Fig. 2(A) und 2(B) schematische Darstellungen des Strahlenverlaufs bei einem anderen Strahlabtastsystem nach dem Stand der Technik in Abtastrichtung bzw. senkrecht zur Abtastrichtung, und

Fig. 3(A) und 3(B) schematische Darstellungen des Strahlenverlaufs bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel eines Strahlabtast­ system nach der Erfindung in Abtastrichtung bzw. senkrecht zur Abtastrichtung.

Bei dem in den Fig. 3(A) und 3(B) schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel eines Lichtstrahlabtastsystems nach der Erfindung wird das einfallende Lichtstrahlen­ bündel nur in Richtung senkrecht zur Abtastrichtung auf die jeweilige Spiegelfläche 35 des Drehspiegels fokussiert, wodurch eine erste, lineare Abbildung (Lichtstrich) parallel zu der Abtastrichtung auf der Spiegelfläche 35 erzeugt wird. Das von der Spiegelfläche 35 reflektierte Licht­ strahlenbündel wird durch eine erste Sammellinse 33 konvergiert, wodurch eine zweite Abbildung senkrecht zur Abtastrichtung in einer Zwischenebene 37 entsteht. Daraufhin wird das Lichtstrahlenbündel senkrecht zur Abtastrichtung durch eine negative Zylinderlinse 32 zerstreut, so daß das Lichtstrahlenbündel anschließend an die Fokussierungspunkte in der Zwischenebene 37 divergiert. Dieses divergierende Lichtstrahlenbündel wird durch eine zweite Sammellinse 34 konvergiert, wodurch eine punktförmige Abbildung auf einer Abtastober­ fläche 36 entsteht. In diesem Fall befinden sich die erste, lineare Abbildung auf der Spiegelfläche 35 und die punktförmige Abbildung auf der Abtastoberfläche 36 in Richtung senkrecht zur Abtastrichtung in konjugierten Ebenen. Aus diesem Grund wird das Lichtstrahlen­ bündel sogar dann, wenn sich die Richtung des an der Spiegel­ fläche 35 reflektierten Lichtstrahles aufgrund von Toleranzschwankungen bezüglich der Parallelausrichtung ändert, in eine konstante Lage in einer Richtung senkrecht zu Abtastrichtung auf der Abtastoberfläche 36 gelenkt, so daß die Abtastlinien längs ihrer gesamten geometrischen Orte zusammenfallen.

Es gibt keinerlei Lagebeschränkung für die Brennweiten f₃₁, f₃₂ der positiven und negativen Zylinderlinse in bezug auf die erste Sammellinse. Da die negative Zylinder­ linse 32 zwischen der Ebene 37 und der zweiten Sammel­ linse 34 angeordnet ist, muß nur die folgende Unglei­ chung erfüllt werden:

f₃₂ < 2f₃₄ (3a)

Damit kreisförmige Punktabbildungen auf der Abtastober­ fläche 36 erzeugt werden, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:

f₃₁ · f₃₂ = f₃₃² (3b)

wobei f₃₁ die Brennweite der positiven Zylinderlinse 31, f₃₂ die Brennweite der negativen Zylinderlinse 32, f₃₃ die Brennweite der ersten Sammellinse und f₃₄ die Brennweite der zweiten Sammellinse ist.

Im folgenden soll kurz erläutert werden, auf welche Weise die obige Gleichung (3b) erhalten wird. Es sei angenommen, daß das einfallende Lichtstrahlenbündel den Querschnitt eines Kreises mit dem Durchmesser A₁ besitzt. Dieses Lichtstrahlenbündel muß schließlich mit einem verringerten Durchmesser kreisförmig auf der Abtastober­ fläche 36 erscheinen. Die positive Zylinderlinse 31 hat in Abtastrichtung keinen Einfluß auf das einfallende Lichtstrahlenbündel, verringert dieses jedoch senkrecht zur Abtastrichtung auf der Spiegelfläche 35 zu einem Wert A₅. In Abtastrichtung weist das auf die erste Sammel­ linse 33 einfallende Lichtstrahlenbündel den Wert A₁ und in Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung den Wert

A₃ = (f₃₃ / f₃₁) · A₁

auf. In der Zwischenebene 37 ist das Lichtstrahlenbündel in der Abtastebene auf einen Wert A₇ verringert und in der zu der Abtastrichtung senkrechten Richtung hat es den unveränderten Wert A₃. Das auf die negative Zylinderlinse 32 einfallende Lichtstrahlen­ bündel weist in der Abtastebene einen Wert von

A₂ = (f₃₂ / f₃₃) · A₁

und senkrecht zur Abtastrichtung den unveränderten Wert A₃ auf.

Damit ein Lichtstrahlenbündel mit kreisförmigem Quer­ schnitt erhalten wird, ist es erforderlich, daß A₃=A₂ gilt. Deshalb folgt aus der Gleichsetzung der oben angegebenen Ausdrücke für A₃ und A₂ die Gleichung

f₃₁ · f₃₂ = f₃₃².

Die Erfüllung dieser Gleichung bedeutet, daß ein Lichtstrahlenbündel mit kreisförmigem Querschnitt auf die zweite Sammellinse 34 auftritt, so daß sich auf der Abtastoberfläche 36 ein Lichtstrahlenbündel mit ebenfalls kreisförmigem Querschnitt ergibt.

Wenn die Brennweite der ersten Sammellinse 33 50 mm beträgt, ergibt sich aufgrund obiger Gleichung (3a), daß lediglich die Brennweite f₃₄ der zweiten Sammellinse größer als 25 mm sein muß, so daß es möglich ist, die Beziehung f₃₁ = f₃₂ = 50 mm zu erhalten.

Es ist somit möglich, sowohl für die Brennweite der positiven Zylinderlinse als auch für die Brennweite der negativen Zylinderlinse relativ große Werte zu verwenden. Die mit Zylinderlinsen kurzer Brennweiten verbundenen Schwierigkeiten werden also vermieden. Es ergibt sich auch eine große Schärfentiefe. In Abtastrichtung weisen die lineare Abbildung in der Zwischenebene 37 und die auf der Abtastoberfläche fokussierte, punktförmige Abbildung eine feste Beziehung zwischen Gegenstandspunkt und Bildpunkt auf. Wenn eine gleich vielfache Beziehung zwischen ihnen besteht, liegt die gleiche Abtastlänge wie auf der Ebene 37 auf der Abtastoberfläche 36 vor.

Da bei dem erfindungsgemäßen Lichtstrahlabtastsystem Zylinderlinsen mit relativ langen Brennweiten verwendet werden können, ergibt sich auch eine größere Schärfen­ tiefe, so daß Änderungen bei der Konvergenz des Abtastlicht­ strahlenbündels verringert werden, die aufgrund einer Verschiebung des Reflexionsortes des Lichtstrahlenbündels auf der Spiegelfläche auftreten können.

Gemäß der Erfindung wird auch die Lagefeststellung in Abtastrichtung des Drehspiegels erleichtert. Die Lage­ feststellung in Abtastrichtung wird benötigt, um Winkel­ teilungsfehler, die zwischen benachbarten, einen Winkel bildenden Spiegelflächen auftreten, zu korrigieren oder auszugleichen. Solche Winkelteilungsfehler können bei der Herstellung von Drehspiegeln entstehen. Zur Lagefest­ stellung kann ein Verfahren verwendet werden, bei dem optische Signale bei konstanten Abständen auf Bereichen der Abtastoberfläche oder einer zu der Abtastoberfläche äquivalenten Oberfläche optisch unter Verwendung von Lichtstrahlenbündeln erzeugt weren. Diese Signale werden dann in elektrische Signale umgewandelt, welche die Lage in Abtastrichtung darstellen. Diese die Lage anzeigenden Signale ermöglichen, Informationen gleich beabstandet auf die Abtastoberfläche aufzuzeichnen oder von ihr auszulesen.

Da bei dem Lichtstrahlabtastsystem nach der Erfindung kein optisches Element zwischen der ersten Sammellinse 33 und der Zwischenebene 37 angeordnet ist, ist es ohne weiteres möglich, einen halbdurchlässigen Spiegel zwischen diesen optischen Elementen anzuordnen. Ein Gitter mit vorbestimmter Gitterkonstanten bezüglich der Abtast­ richtung wird auf einer Oberfläche angeordnet, die zu der Zwischenebene 37 äquivalent ist, wodurch die Lage­ anzeigesignale in Abtastrichtung leicht festgestellt werden können.

Durch die Erfindung wird insgesamt ein Lichtstrahl­ abtastsystem mit hoher Leistungsfähigkeit erhalten.

Claims (4)

1. Lichtstrahlabtastsystem mit einem mehrere reflek­ tierende Flächen aufweisenden Drehspiegel, dem ein in einer Richtung sammelnd wirkendes, von einem parallelen Lichtstrahl beaufschlagtes optisches Element vorge­ schaltet ist, durch welches auf der wirksamen Reflexionsfläche des Drehspiegels ein in Strahlablenk­ richtung verlaufender Lichtstrich erzeugt wird, und mit einer dem Drehspiegel nachgeschalteten, sammelnden optischen Anordnung, mit der der reflektierte Lichtstrahl in einer abzutastenden Fläche fokussierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete sammelnde optische Anordnung in der Reihenfolge von dem Drehspiegel her umfaßt
eine erste sphärische sammelnde optische Einrichtung (33), die aus dem in Ablenkrichtung verlaufenden Licht­ strich auf der wirksamen Reflexionsfläche des Drehspiegels in einer Zwischenebene (37) einen dazu senkrechten und damit senkrecht zur Abtastrichtung verlaufenden Lichtstrich entstehen läßt,
ein in Richtung des Lichtstrahls hinter der Zwischen­ ebene (37) angeordnetes, in einer Richtung zerstreuend wirkendes optisches Element (32), mit dem der Licht­ strahl in Richtung senkrecht zur Abtastrichtung zerstreubar ist, und
eine zweite sphärische sammelnde optische Einrichtung (34), mit der der Lichtstrahl punktförmig auf der abzutastenden Fläche (36) fokussierbar ist.

2. System nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt der Brenn­ weiten (f₃₁, f₃₂) des in einer Richtung sammelnd wirkenden optischen Elementes (31) und des in einer Richtung zerstreuend wirkenden optischen Elementes (32) gleich dem Quadrat der Brennweite (f₃₃) der ersten, optischen Einrichtung (33) ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Drehspiegel vorgeschaltete, in einer Richtung sammelnd wirkende optische Element eine positive Zylinderlinse (31) ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zerstreuend wirkende optische Element eine negative Zylinderlinse (32) ist.