DE3141448C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Scanner mit fliegendem Lichtpunkt gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der Scanner dient zur Belichtung einer photoempfindlichen Fläche mit einem der Intensität nach modulierten Lichtstrahl, um ein Bild auf der Fläche zu erzeugen. Der Abtastkopf eines solchen Scanners kann ein rotierendes Prisma oder eine Spiegeltrom­ mel oder ein Schwingspiegel sein. Der Lichtstrahl wird vom Abtastkopf reflektiert und wandert zeilenweise über die photoempfindliche Fläche, wenn der Abtastkopf rotiert und oszilliert. Solche Scanner weisen eine sehr hohe Genauigkeit auf, insbesondere bezüglich der Abtastköpfe, da der Licht­ strahl als optischer Hebel wirkt und so jede Ungenauigkeit des Abtastkopfes verstärkt wird.

Um solche Fehler zu verringern und Kosten und Aufwand solcher Scanner zu vermindern, ist bereits vorgeschlagen worden, einen Sensor vorzusehen, der die Augenblickslage des Licht­ strahls mißt, sowie eine Ablenkeinrichtung, in der der Licht­ strahl in die erforderliche fehlerfreie Lage zurückgeführt wird. Damit ist es möglich, Abtastköpfe mit nicht so hohen Genauigkeitsansprüchen zu verwenden, aber doch einen hohen Genauigkeitsgrad in der Führung des Strahls auf der photo­ empfindlichen Fläche zu ermöglichen. Der Lagesensor und die Ablenkeinrichtung arbeiten in Realzeit und können periodi­ sche Fehler verarbeiten, beispielsweise Fehler in der genauen Herstellung der Spiegeltrommel, sowie auch nicht-periodische Fehler, wie solche, die durch eine Verzerrung des Rahmens des Scanners oder durch Schwingungen oder Vibrationen des Abtastkopfes hervorgerufen werden, welche vom Antrieb her übertragen werden und somit Schwingungen von bestimmten Fre­ quenzen hervorrufen.

Es hat sich als nötig erwiesen, den Lagesensor so auszubil­ den, daß die Augenblickslage des Lichtstrahls mit sehr hoher Genauigkeit gemessen wird. Diese Genauigkeit kann man nur schwer erhalten, weil ein Fehler in der Lage des Lichtstrahls auf der zu belichtenden Fläche in der Größenordnung von 0,1 µm in Querrichtung zur Abtastrichtung schon ausreicht, um bemerkt zu werden, insbesondere wenn der Fehler wiederholt auf­ tritt. Mit üblichen Lagesensoren ist eine solche große Genauigkeit nur schwer zu erhalten.

Es ist bekannt (DE-OS 23 63 455), bei einem optischen Abtaster aus dem von einem rotierenden Polygonspiegel auf die Aufzeich­ nungsfläche abgelenkten Lichtstrahl einen Teilstrahl auszublenden, der durch ein optisches Gitter und einen elliptischen Spiegel auf einen Fotodetektor geführt wird. Damit kann die Intensität des Lichtstrahls in der Abtastrichtung gemessen werden. Das Ausgangs­ signal des Fotodetektors dient zur Synchronisierung eines Modula­ tors, mit dem dieLichtintensität gesteuert wird. Eine Messung der Lage des Lichtstrahls quer zur Abtastrichtung ist nicht vor­ gesehen.

Aus "Laser Scanning Components and Techniques" in "Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers", Vol. 84. Aug. 24/25, 1976, Seiten 69-76 ist es bekannt, einem Arbeitsstrahl einen Bezugsstrahl zu überlagern, der nach Ausblen­ dung aus dem Arbeitsstrahl durch ein kreuzweise angeordnetes Gitter geführt wird. Damit läßt sich die Lage des Lichtstrahls in der X- und Y-Richtung in nachgeschalteten Zählstufen ermitteln. Mit der bekannten Anordnung soll der Arbeitsstrahl in einem Ko­ ordinatensystem genau gesteuert werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Abwei­ chung des Lichtstrahls quer zur Abtastrichtung auf einfache Weise zu messen.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Da die Information bezüglich der Querlage des Lichtstrahls als Phasenmodulation eines phasenmodulierten Signals dargestellt wird, ist dieses Signal nicht unmittelbar durch Intensitätsänderungen des Lichtstrahls beeinflußt, wie sie sich beispielsweise bei einer Modulation ergeben. Ferner kann ein solches Signal leicht weiterverarbeitet werden, um eine Ablenkeinrichtung des Scan­ ners zu speisen, in der die Lage des Lichtstrahls korrigiert wird.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung liefert die Frequenz des phasenmodulier­ ten Signals, das sich bei Kombination der Ausgangsspannungen der beiden Photodetektoren ergibt, eine Anzeige der Lage des Lichtstrahls in seiner Abtastrichtung, während die Phase des kombinierten phasenmodulierten Signals eine Information bezüg­ lich der Lage des Lichtstrahls in der Querrichtung zur Ab­ tastrichtung liefert. Auf diese Weise ist es möglich, daß die genaue Lage des Lichtstrahls in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen festgestellt wird. Die Augenblickslage des Licht­ strahls auf der lichtempfindlichen Schicht ist somit genau meßbar.

Ist das Gitter für die Lage des Lichtstrahls in der Abtast­ richtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 angeordnet, so liefert der Ausgang des zugehörigen Fotodetektors eine Information bezüglich der Augenblickslage des Lichtstrahls der Abtastrichtung.

Ist dagegen das Gitter für die Lage des Lichtstrahls in der Abtastrichtung gemäß Anspruch 3 angeordnet, so liefert ein Fehler in der Querlage des Lichstrahls eine größere Phasen­ modulation des Signals, da der Ausgang beider Fotodetektoren auf Ungenauigkeiten in der Lage des Lichtstrahls in der Quer­ richtung anspricht.

Obwohl die Phasenmodulation gegenüber Intensitätsänderungen des Abtaststrahls unempfindlich ist, sind solche Änderungen unerwünscht, weil solche Schwankungen die Empfindlichkeit des Sensors verringern. Ferner kann der Strahl für längere Zeiträume vollständig abgeschaltet werden, so daß während­ dessen keine Information für die Strahllage erhalten wird. Ferner sind Wellenlänge und Durchschnittshelligkeit des Ab­ taststrahls auf die Eigenschaften der fotoempfindlichen Oberfläche abgestimmt, so daß sie an sich nicht zu dem ge­ wählten Fotodetektor passen.

Wenn also gemäß Anspruch 4 eine zweite Lichtquelle vorgesehen wird und deren Licht mit dem Licht der ersten Lichtquelle hin­ ter dem Modulator gemischt wird, so kann der zweite Lichtstrahl auf den Lagesensor geführt werden und kann hinsichtlich seiner Eigenschaften und der Intensität so ausgewählt werden, daß er für den Photodetektor optimal ist. Auch wenn der modulierte Lichtstrahl der ersten Lichtquelle abgeschaltet wird, liefert der Sensor immer noch das Signal für die Lage.

Das Licht beider Lichtquellen muß unterschiedliche Eigen­ schaften aufweisen, damit die Strahlen trennbar sind. Die beiden Lichtquellen können auch unterschiedliche Polarisa­ tion aufweisen. Vorzugsweise imitieren die Lichtquellen unterschiedliche Farbstrahlen. Damit kann die Farbe jedes Lichtstrahls speziell auf den bestimmten Verwendungszweck abgestimmt werden. So kann ein Farbstrahl ausgewählt werden, für den die photoempfindliche Fläche überaus empfindlich ist, während der andere Farbstrahl auf die Eigenschaften des Photodetektors abgestimmt ist. Mit zwei Lichtquellen unter­ schiedlicher Farbe wird vorzugsweise ein optischer Multi­ plexer und Demultiplexer verwendet, die von dichroischen Spiegeln gebildet sind. Vorzugsweise Ausbildungen ergeben sich mit den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 7. Ein weiterer Vorteil der unterschiedlichen Farben besteht darin, daß Streiflicht von dem roten Helium-Neon-Laser auf der photo­ graphischen Schicht unschädlich ist, da diese gegenüber Rotlicht unempfindlich ist.

Eine Schaltung zur Verarbeitung der Ausgangssignale ist in Anspruch 8 angegeben.

Die Gitter können Reflexionsgitter sein, wobei die Photo­ dioden auf der gleichen Seite der Gitter wie der Lichtstrahl angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Gitter jedoch Trans­ missionsgitter und dabei sind die Photodioden an der dem Lichtstrahl gegenüberliegenden Seite des Gitters angeordnet. In diesem Fall sind vorzugsweise ein Diffusor und ein Sammel­ linsensystem zwischen jedem Gitter und dem zugehörigen Photo­ detektor vorgesehen.

Die vorzugsweise Winkellage der Linien des zweiten Gitters ist im Anspruch 10 angegeben. Bei Verwendung zweier Gitter ist die Teilung der Gitterlinien in der Abtastrichtung vorzugsweise die gleiche. Wenn dies jedoch nicht möglich ist, so kann man eine Maßstabsveränderung vorsehen, indem man die Ausgangs­ frequenz eines der Photodetektoren multipliziert oder divi­ diert, bevor dieses Signal mit dem Ausgangssignal des ande­ ren Photodetektors gemischt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des optischen Systems,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der elektronischen Steuerung,

Fig. 3 eine Darstellung unterschiedlicher Gitteranordnungen und

Fig. 4 eine Darstellung der Ausgangsspannungen der beiden Photodetektoren.

Eine Lichtquelle 1 in Form eines Argon-Ionen-Lasers emittiert einen blauen Lichtstrahl konstanter Intensität in einen Modulator 2. Der blaue Licht­ strahl wird in dem Modulator 2 beispielsweise gemäß Video­ daten seiner Intensität nach moduliert. Der Ausgangsstrahl des Modulators 2 geht durch einen dichroischen Spiegel 3. Eine andere Lichtquelle 4 in Form eines Helium-Neon-Lasers emittiert einen roten Lichtstrahl konstanter Intensität, der auf den dichroischen Spiegel 3 auftrifft und von diesem reflektiert wird, so daß ein einzi­ ger aus rotem und blauem Licht zusammengesetzter Strahl ge­ bildet wird. Dieser zusammengesetzte Strahl gelangt durch eine Ablenkeinrichtung 5, die vorzugsweise achromatisch ist, so daß sie den roten und blauen Farbbestandteil des Strahls in gleichem Maße ablenkt. Die kompensierende Ablenkeinrichtung 5 kann von einem ebenen Sie­ gel gebildet sein, der auf einem piezoelektrischen Block an­ geordnet ist, so daß sich der Winkel des Spiegels abhängig von dem dem piezoelektrischen Block zugeführten Signal än­ dert, wobei ein Galvanometerspiegel oder eine elektroopti­ sche Vorrichtung wie ein Prisma vorgesehen ist, dessen Ab­ lenkungswinkel entsprechend dem an dem Prisma anliegen­ den elektrischen Feld verändert wird.

Von der Ablenkeinrichtung 5 gelangt der zusammengesetzte Strahl dann durch einen Strahldehner in Form zweier Linsen 6 und 7 und anschließend zum Abtastkopf 8 des Scanners in Gestalt einer hexagonalen Spiegeltrommel. Der hier reflektierte Strahl gelangt dann durch eine Flachfeldlinse 9, die den Strahl auf eine photoempfindliche Fläche 10 fokussiert, die beispielsweise eine photographische Film­ schicht ist. Ein zweiter dichroischer Spiegel 11 befindet sich zwischen der Flachfeldlinse 9 und der Fläche 10, so daß auch hier der blaue Farbanteil des Lichtstrahls den Spiegel 11 gerade durchsetzt, während der rote Farbanteil des Strahls am Spiegel 11 reflektiert und in einen Strahl­ teiler 12 geführt wird, der den roten Farbanteil in zwei ge­ trennte Strahlen von im wesentlichen gleicher Intensität auf­ teilt, die dann auf ein Gitter 13 und ein weiteres Gitter 14 auftreffen. Bei Drehung der Spiegeltrommel wird der Lichtstrahl über die Fläche 10 geführt. Die Fläche 10 wird vorwärtsbewegt, so daß beim nächsten Strahldurchgang der Strahl einen parallelen Weg ausführt. Die von der Spiegeltrommel ausgeführte Ab­ tastbewegung des Strahls hat auch eine Abtastbewegung des roten Farbanteils längs der Gitter 13 und 14 zur Folge.

Die Linien des Gitters 13 sind rechtwinklig zur Abtastrich­ tung des Lichtstrahls angeordnet, während die Linien des weiteren Gitters 14 zur Abtastrichtung einen spitzen Winkel auf­ weisen, der vorzugsweise 45° ist. Die Teilung beider Git­ ter 13, 14 in Richtung ihrer Abtastung ist gleich. Hinter den Git­ tern 13 und 14 ist ein nicht dargestellter Streuschirm zu­ sammen mit einer Sammellinse 15 und Photodetektoren 16 und 17 angeordnet. Wenn also der rote Lichtstrahl über die mit Linien und nicht mit Linien versehenen Abschnitte der Git­ ter 13 und 14 wandert, so variiert das von den Gittern 13, 14 wei­ tergeleitete Licht sowie das von der Linse 15 auf die Photo­ detektoren 16 und 17 gesammelte Licht, so daß ein amplituden­ moduliertes Signal am Ausgang jedes Photodetektors 16 bzw. 17 erzeugt wird.

Solange der Mischstrahl genau in der Abtastrichtung von der Spiegeltrommel abgelenkt wird, sind die über die Gitter 13 und 14 wandernden Lichtpunkte miteinander in Phase, so daß die Ausgangsspannungen der Photodetektoren 16 und 17 oszillierende Signale darstellen, die genau phasengleich sind. Eine jede Unregelmäßigkeit in der Abtastgeschwindigkeit längs der Fläche 10, die beispielsweise durch eine unregelmäßige Drehung der Spiegeltrommel hervorgerufen wird, kann dadurch festgestellt werden, daß die Frequenz der Aus­ gangssignale der Photodetektoren 16 und 17 gemessen wird, womit man den Antrieb der Spiegeltrommel steuern kann, oder wahlweise einen weiteren Deflektor in den Strahlengang bringt, um eine Ablenkung des Mischstrahls in der Abtastrichtung zu erzielen. Tritt eine Bewegung des Mischstrahls in einer Rich­ tung quer zur Abtastrichtung auf, beispielsweise durch einen unterschiedlichen Winkel benachbarter Flächen der Spie­ geltrommel oder infolge einer anderen Unregelmäßigkeit der Abtasteinrichtung, so bewegen sich die Lichtpunkte auf den Gittern 13 und 14 seitlich, wie sich aus Fig. 2 ergibt. Ein seitliches Ausweichen auf dem Gitter 13 hat überhaupt keine Wirkung auf das Ausgangssignal des Photodetektors 16. Die seitliche Bewegung des Lichtpunktes auf dem weiteren Gitter 14 mit den schrägen Linien hat jedoch eine Phasenänderung des Ausgangssignals des Photodetektors 17 zur Folge. Wenn näm­ lich der Lichtpunkt in Fig. 2 nach rechts rückt, so wird der Lichtpunkt von den Linien zu einem früheren Zeitpunkt abgedunkelt, als wenn der Lichtpunkt im Mittelpunkt des Gitters liegt. Dies gilt auch für den umgekehrten Fall. Wandert also der Mischstrahl in eine Richtung quer zur Ab­ tastrichtung aus, so tritt eine Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsspannungen der Photodetektoren 16 und 17 auf. Durch Messen der Phasenverschiebung kann man Fehlersignale für den Querversatz ermitteln, die der Ablenkvorrichtung 5 zugeführt werden, um den Strahl in die richtige Lage, also in die absolute Querlage zur Abtastrichtung zurückzuführen.

Eine elektronische Schaltungsanordnung zur Verarbeitung des von den Photodetektoren 16 und 17 gelieferten Signals ist in Fig. 2 dargestellt. Die Ausgangsspannung der Photodetek­ toren 16 und 17 wird in Verstärkern 18 und 19 verstärkt. Beide Verstärker weisen eine automatische Steuerung des Ver­ stärkungsgrades durch eine Rückkopplung auf, so daß die Aus­ gangsspannungen beider Verstärker 18 und 19 konstant und gleich sind. Diese Spannungen werden dann in einer Phasen­ vergleichsstufe 20 miteinander verglichen, die einen Zer­ hacker aufweist, um die Ausgänge der Verstärker 18 und 19 in Rechtecksimpulse umzuformen, sowie einen Schaltkreis, um eine dem Phasenunterschied zwischen den beiden Rechteck­ impulszügen proportionale Spannung zu erzeugen. Sind die beiden Impulszüge phasengleich, so liefert die Vergleichs­ stufe 20 kein Ausgangssignal. Im Falle einer Phasendifferenz zwsichen den beiden Impulszügen liefert die Vergleichsstufe einen Gleichspannungsausgang, dessen Polung und Größe von der Phasenverschiebung abhängig ist. Führt man die Ausgangs­ spannung der Vergleichsstufe 20 zu der Ablenkeinrichtung 5, so erhält man eine Regelung für die Lage des Mischstrahls in einer Richtung quer zur Abtastrichtung mit dem Ergebnis, daß jede Abweichung in der Lage des Mischstrahls in einer Richtung quer zur Abtastrichtung automatisch auf Null zurück­ geregelt wird.

Ist die Ablenkeinrichtung 5 nicht achromatisch, so wird der rote Farbstrahl gegenüber dem blauen Farbstrahl um einen un­ terschiedlichen Betrag abgelenkt, so ist es natürlich auch möglich, die Lageabtastung so zu bemessen, daß der blaue Farbanteil des Mischstrahls die richtige Ablenkung erhält.

Das in Fig. 3 dargestellte Gitter 21 kann dann anstelle des Gitters 13 verwendet werden. Diese Abänderung führt zu einer Vorrichtung, die eine doppelte Empfindlichkeit auf die Lage des Strahls in der Richtung quer zur Abtastrichtung aufweist, da jede Lageänderung des Lichtstrahls in der Richtung quer zur Abtastrichtung eine Phasenverschiebung der Ausgangsspan­ nungen beider Photodetektoren in gegensätzlichen Richtungen zur Folge hat.

Vorzugsweise weisen die Lichtstrahlen unterschiedliche Far­ ben auf, da die photoempfindliche Fläche 10 insbesondere auf blaues Licht sensibilisiert ist und im wesentlichen auf rotes Licht nicht reagiert, während die Photodetektoren 16 und 17 erheblich empfindlicher auf rotes Licht als auf blaues Licht reagieren. Insbesondere können für die Photodetektoren Lawinen-Photodioden Verwendung finden, die sich insbesondere für schwaches Licht eignen und besonders gut auf Rotlicht an­ sprechen.

Claims (9)

1. Scanner mit fliegendem Lichtpunkt, mit mindestens einer Lichtquelle, mit einer fotoempfindlichen Fläche und mit einer Einrichtung zur zeilenweisen Abtastung der Fläche mit dem von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl, wobei ein die Lage des Lichtstrahls in der Abtastrichtung darstellendes Signal erzeugt wird, mit einer Ein­ richtung zum Abzweigen eines Bezugsstrahls von dem auf die photo­ empfindliche Fläche gelangenden Lichtstrahl, mit einem Gitter und einem Photodetektor im Strahlengang des Bezugsstrahls und mit einer dem Photodetektor nachgeschalteten elektronischen Schal­ tungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Lage des Lichtstrahls quer zur Abtastrichtung ein weiteres Gitter (14) mit nachgeschaltetem Photodetektor (17) vorgesehen ist, dessen Gitterlinien einen spitzen Winkel zur Abtast­ richtung des Bezugsstrahls aufweisen, und daß aus den die Lage des Lichtstrahls in der Abtastrichtung und quer dazu darstellenden Signalen ein phasenmoduliertes Ausgangssignal erzeugt wird, dessen Phasenmodulation eine Anzeige für die Lage des Lichtstrahls quer zur Abtastrichtung darstellt.

2. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien des Gitters (13) im wesentlichen rechtwinklig zur Abtast­ richtung des Bezugsstrahls angeordnet sind (Fig. 2).

3. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien des Gitters (21) unter einem stumpfen Winkel zur Abtast­ richtung des Bezugsstrahls angeordnet sind (Fig. 3).

4. Scanner nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtquellen (1, 4) vorgesehen sind, daß ein optischer Multiplexer im Wege des Lichtstrahls zwischen einem Modulator (2) und einem Abtastkopf (8) des Scanners vorgesehen ist, um das Licht der beiden Lichtquellen in einem einzigen Mischstrahl zu kombinieren, und daß ein optischer Demultiplexer im Wege des Mischstrahls zwischen dem Abtastkopf (8) und der fotoempfindlichen Fläche (10) angeordnet ist, um die Licht­ strahlen beider Lichtquellen zu trennen, wobei der eine Licht­ strahl auf die fotoempfindliche Fläche (10) und der andere Lichtstrahl auf die Photodetektoren (16, 17) geworfen wird.

5. Scanner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lichtquellen (1, 4) unterschiedliche Farbstrahlen emittieren.

6. Scanner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (1) ein Argon-Ionen-Laser und die andere Licht­ quelle (4) ein Helium-Neon-Laser ist.

7. Scanner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Multiplexer und Demultiplexer von dichroischen Spiegeln (3, 11) gebildet sind, die so ausgebildet sind, daß sie für den Lichtstrahl der einen Lichtquelle (1) durchlässig sind und den Lichtstrahl der anderen Lichtquelle (4) reflek­ tieren.

8. Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Regelschleife zur Lagekorrektur des Licht­ strahls vorgesehen ist, mit Verstärkern (18, 19) mit automati­ scher Steuerung des Verstärkungsfaktors, einem Schwellwert­ detektor und einem Zerhacker, der aus den Signalen der Photo­ detektoren (16, 17) Rechteckimpulszüge erzeugt, die in einer Phasenvergleichsstufe (20) verglichen werden, um eine dem Phasenunterschied zwischen den beiden Rechteckimpulszügen proportionale Spannung zu erzeugen, und daß eine Ablenkein­ richtung (5) vorgesehen ist, welche den Lichtstrahl quer zur Abtastrichtung ablenkt, wobei die Gleichspannung als Regel­ größe der Ablenkvorrichtung zugeführt wird.

9. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (13 bzw. 21, 14) Transmissions­ gitter sind, daß die Photodetektoren (16, 17) auf der der Enfallsseite des abtastenden Lichtstrahls gegenüberliegenden Seite des Gitters (13 bzw. 21, 14) angeordnet sind und daß zwischen den Gittern (13 bzw. 21, 14) und den entsprechenden Photodetektoren (16, 17) ein Streuschirm und eine Sammellinse (15) angeordnet sind.