DE3207467A1

DE3207467A1 - Optisches abtastsystem mit neigungs-korrekturfunktion

Info

Publication number: DE3207467A1
Application number: DE19823207467
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Yokohama Kanagawa Matsuoka; Kazuo Minoura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1981-03-03
Filing date: 1982-03-02
Publication date: 1982-09-16
Also published as: DE3207467C2; FR2501385B1; US4585296A; FR2501385A1; GB2096789A; GB2096789B

Description

Optisches Abtastsystem mit Neigungs-Korrekturfunktion

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abtastsystem, das Ungleichmäßigkeiten des Zeilenabstandes der Abtastzeilen beseitigt.

Bei Lichtstrahl-Abtasteinrichtungen, die eine Ablenk- und Reflexionsfläche, wie einen sich drehenden Polygonspiegel, verwenden, sind die verschiedensten optischen Abtastsysteme vorgeschlagen worden, bei denen keine Ungleichmäßigkeit im Zeilenabstand der Abtastzeilen auf der abzutastenden Oberfläche (dem abzutastenden Material) erzeugt wird, sogar wenn die Ausbreitungsrichtung des abgelenkten abtastenden Lichtstrahls in einer Ebene senkrecht zur Ablenkebene durch eine Neigung bzw. Verkippung der Ablenk- und Reflexionsfläche geändert wird. Der hier verwendete Ausdruck "Ablenkebene" bezieht sich auf eine Lichtstrahlebene, die im Verlauf der Zeit durch den von der Ablenkund Reflexionsfläche des Ablenkelements abgelenkten

35 Lichtstrahl gebildet wird.

Beispielsweise weist das optische System zwischen

Deutsche Bank (München) Klo. 51/61070

Dresdner Bank (München) Kto. 3939844

Postscheck (München) KIo. 670-43-804

" — " "" . *""■" 3207AB7

-5- DE I927

Ablenkelement und abzutastenden Material gemäß der US-PS 3 750 I89 eine Strahl-Umbildungseinrichtung und eine zweite Sammeleinrichtung auf, und ein von dem Ablenkspiegel reflektierter Lichtstrahl wird durch die Strahl-Uralenkeinrichtung kollimiert. Wenn das optische System auf diese Weise mit einer Kollimationswirkung ausgestattet ist, sind dem Aufbau der Strahl-Umbildungseinrichtung Beschränkungen auferlegt; die Abbildungsqualität auf der abzutastenden Oberfläche und der Freiheitsgrad, mit dem die Verzerrungs- bzw. Verzeichnungscharakteristik zur Konstantmachung der Abtastgeschwindigkeit beeinflußbar ist, werden herabgesetzt; wenn nicht die Zahl der Linsen, die die zweite Sammeleinrichtung bilden, notwendigerweise erhöht wird, kann keine gute Qualität erreicht werden.

Gemäß der US-PS 3 865 ^(>5 sind dem Verhältnis der Brennweiten der beiden Linsen, die das optische System zwischen dem Ablenkelement und dem abzutastenden Material bilden, Beschränkungen auferlegt; die Erfüllung dieser Beschränkungen ist äquivalent dazu, den Lichtstrahl in einem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene zwischen den beiden Linsen zu kollimieren. Bei diesem Beispiel sind die Abbildungsqualität und der Freiheitsgrad, mit dem die Verzerrungs- bzw. Verzeichnungscharakteristik gut korrigiert wird, herabgesetzt, was nicht vorzuziehen ist.

Gemäß der US-PS 3 9^-6 I50 ist eine Zylinderlinse zwischen einer Linse mit einer Verzeichnungscharakteristik zur Realisierung einer gleichförmigen Abtastgeschwindigkeit und dem abzutastenden Material angeordnet. Im Falle einer derartigen Konstruktion kann eine gute Bildqualität nicht erzielt werden, wenn nicht die Zylinderlinse nahe an das abzutastende Material gebracht wird. Wenn die Zylinderlinse nahe an das abzutastende Material gebracht wird, wird die Zylinderlinse in Richtung ihrer Achse länger, da die Abtastbreite größer wird; dies verhindert die Realisierung eines kompakten Aufbaus.

~⁶~ DE I927

Ferner unterscheidet sich bei einem optischen System, bei dem eine Zylinderlinse oder eine torische Linse Verwendet wird, wie es in der US-PS 3 750 189 beschrieben ist, die Brechkraft des optischen Systems in der Richtung, in ij der der Strahl durch das Ablenkelement abgelenkt wird, und in der zu dieser Richtung orthogonalen Richtung; wenn ein Bearbeitungs- oder Zusammenbaufehler der Linsenteile auftritt, ergibt sich ein Unterschied im Abbildungspunkt zwischen den beiden orthogonalen Richtungen. Dies ist die sogenannte Astigmatismusdifferenz·, wenn eine derartige Astigmatismusdifferenz entsteht, kann ein optimaler Abbildungspunkt nicht erhalten werden, sogar wenn die Position des abzutastenden Materials eingestellt wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erläuterten Nachteile der bekannten Abtasteinrichtungen zu beseitigen und ein optisches Abtastsystem zu schaffen, das einen einfachen und kompakten Aufbau hat,und bei dem die Neigung des Ablenkelements korrigierbar ist.

Ferner soll ein optisches Abtastsystem geschaffen werden, bei dem die Strahl-Abtastgeschwindigkeit auf der abzutastenden Oberfläche konstant ist. Darüberhinaus soll ein optisches Abtastsystem geschaffen werden, das, wenn eine Astigmatismusdifferenz der Abbildungspunkte in zwei orthogonalen Richtungen entsteht, die Astigmatismusdifferenz durch eine einfache Einstelleinrichtung korrigiert und das bewirkt, daß ein optimaler Abbildungsfleck auf dem abzutastenden Material entsteht.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Abtastsystem wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das optische Abbildungssystem, das zur Abtastung zwischen dem Ablenkelement und dem abzutastenden Material angeordnet ist, mit einer EInzollintjo mit einer torischen Fläche versehen wird. Dies

3b bedeutet, daß das erfindungsgemäße optische Abtastsystem mit einer Lichtquelleneinrichtung, einem ersten optischen Abbildungssystem zur Linearabbildung des Lichtstrahls der Lichtquelleneinrichtung, einem Ablenkelement mit einer Ab-

~⁷~ DE 1927

lenk- und Reflexionsfläche nahe dem Linearbild, und einem zweiten optischen Abbildungssystem zur Umwandlung des Linearbilds in einen Fleck auf dem abzutastenden Material versehen ist, wobei das zweite optische Abbildungssystem aus einer torischen Einzellinse besteht. Mit dem hier verwendeten Ausdruck "torische Linse" ist eine Linse gemeint, bei der in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Linse die Linse in orthogonalen Richtungen Brechkräfte hat, die sich in den orthogonalen Richtungen unterscheiden.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Abtastsystem ist die torische Linse eine positive Meniskuslinse, die in einem Querschnitt, der die optische Achse enthält und senkrecht zur Ablenkebene ist, die durch den von dem Ablenkelement abgelenkten Strahl gebildet wird, eine Fläche mit .negativer Brechkraft auf der Seite des Ablenkelements und eine Fläche mit positiver Brechkraft auf der Seite des abzutastenden Materials hat. Das heißt, die torische Linse hat Meniskusform, wobei ihre Konkavfläche zu dem Ablenkelement in einer Ebene senkrecht zur Ablenkebene zeigt.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Abtastsystem hat das optische Abbildungssystem, das zur Abtastung zwischen dem Ablenkelement und dem abzutastenden Material angeordnet ist, keine Strahl-Umbildungseinrichtung zur zeitweisen Kollimierung des durch das Ablenkelement abgelenkten Lichtstrahls. Dies bedeutet, daß keine Einrichtung mit einer Kollimationswirkung verwendet wird, aο daß der Abbildungsqualität des optischen Abbildungssystems und dem i'reiheitsgrad, mit dem die Verzeichnungscharakteristik gut korrigiert wird, keine Beschränkungen auferlegt sind. Dies führt zur Realisierung eines einfachen und kompakten Aufbaus.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann kompakt gemacht werden verglichen mit dem Fall, daß eine Zylinderlinse zwischen der Ablenkebene und dem abzutastenden Material ange-

-8- DE 1927

ordnet ist, wie dies bisher der Fall war. Wenn eine Zylinderlinse verwendet wird, ist deren Brechkraft in der Ablenkebene Null, so daß kein Freiheitsgrad gegeben ist, mit dem die Bildfeldkrümmung korrigiert werden kann. Im Gegenb satz hierzu hat eine torische Linse eine Brechkraft in der Ablenkebene und kann deshalb die Bildfeldkrümmung korrigieren. Wenn versucht wird, das optische Abbildungssystem zur Abtastung bei Verwendung einer Zylinderlinse kompakt zu machen, wird eine große Bildfeldkrümmung erzeugt, die nicht durch die Zylinderlinse selbst aus den genannten Gründen korrigiert werden kann. Im Gegensatz hierzu hat eine torische Linse einen Freiheitsgrad zur Korrektur, so daß folglich die Einrichtung kompakt gemacht werden kann.

Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen optischen Abtastsystem das erste optische Abbildungssystem in Richtung der optischen Achse bewegbar. Die Astigmatismusdifferenz des Strahlflecks in zwei Ebenen senkrecht zueinander kann durch diese Bewegung korrigiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
25

Fig. 1 perspektivisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems,

Fig. 2 eine Aufsicht auf das in Fig. 1 gezeigte optisehe Abbildungssystem,

Fig. 3 eine Ansicht zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Wirkung in einem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene,
35

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des Lichtquellenteils des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems,

-9- DIi I927

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des ersten optischen Abbildungssystems des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems,

Fig. 6 und 7 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems,

Fig. 8, 9 und 10 die Bildfeldkrümmung bei den Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems,

Fig. 11, 12 und 13 die Verzeichnung bezüglich der Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit bei den Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems, 15

Fig. I^ und 15 Verfahren zur Einstellung des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems, und

Fig. 16 die Größe der Einstellung des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems.

Fig. 1 erläutert den Aufbau gemäß dem Grundprinzip der vorliegenden Erfindung. Vorhanden sind eine Lichtquelleneinrichtung 1, die entweder eine Lichtquelle oder eine Lichtquelle 1-a und eine Kondensoreinrichtung 1-b (siehe Fig. ^) aufweist, ein Erzeugungssystem 2 für ein Linearbild zur Linearabbildung eines von der Lichtquelleneinrichtung 1 ausgesandten Lichtstrahls, ein Ablenkelement 3 rait einer Ablenk- und Re flexions fläche Ja. nahe der Stelle, an der der Lichtstrahl linear durch das Linear bild-Erzeugungssystem 2 konvergiert wird, und eine Einzellinse ^ zwischen dem Ablenkelement 3 und einem abzutastenden Material 5; die Einzellinse ^ hat unterschiedliche .Brechkräfte in zwei zueinander orthogonalen Richtungen und hat eine torische Fläche mit einer Haupt- und einer Hilfsachse. Ein Abbildungsfleck wird auf dem abzutastenden Material 5 erzeugt und, wenn das Ablenkelement 3 gedreht wird, tastet der Abbildungsfleck das abzutastende Material

J 2 U VA IjV -ίο- de 192?

1. 5 ab.

Pig. 2 zeigt eine Ansicht zur Illustration der Wirkung in einem Querschnitt parallel zur Ablenkebene des vorstehend erläuterten Aufbaust oder anders ausgedrückt, in einem Querschnitt parallel zu einer Ebene, die die Hauptachse und die optische Achse der torischen Linse k enthält. Der von der Lichtquelleneinrichtung 1 ausgesandte Lichtstrahl geht durch die Zylinderlinse 2 hindurch, wird

2Q anschließend von der Reflexionsfläche 3a des Ablenkelements 3 reflektiert, wobei der reflektierte Lichtstrahl abgelenkt wird, wenn sich das Ablenkelement 3 dreht. Der abgelenkte Lichtstrahl wird auf dem abzutastenden Material 5 durch die Linse 4 mit einer torischen Fläche abgebildet und die Abtastgeschwindigkeit des Abbildungsflecks konstant gehalten.

Fig. 3 zeigt eine abgewickelte Ansicht eines Querschnitts längs des Lichtstrahls in einer Richtung senkrecht zu der Ablenkebene, d.h. eines Querschnitts, in dem der Einfluß der Verkippung bzw. der Neigung des Ablenkelements korrigiert wird. Der von der Lichtquelleneinrichtung 1 ausgesandte Lichtstrahl wird durch das Linearbild-Erzeugungssystem 2 nahe der Reflexionsfläche 3a des Ablenkelements 3 linear abgebildet. Die Brechkraft der Einzellinse 4 in diesem Querschnitt macht, anders als die Brechkraft der Linse k in der Ablenkebene, die Positionsbe Ziehung zwischen der Reflexionsfläche Ja. des Ablenkelements 3 und dem abzutastenden Material optisch konjugiert.

Zwar variiert der Lichtstrahl, der durch die Linse k hindurchgeht, wenn die Reflexionsfläche 3a in einer Richtung senkrecht zur Ablenkebene geneigt ist, so daß sie während der Drehung des Ablenkelements 3 eine Position 3a' annimmt, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt, die Abbildungsposition auf dem abzutastenden Material 5 variiert aber nicht.

Im folgenden soll beschrieben werden, warum eine gute

7Π7Α67 __n_ DK 1927

Abbildungsqualität und eine gleichförmige Abtastgeschwindigkeit auf dem abzutastenden Material bei dem erfindungsgemäßen optischen Abtastsystem trotz des einfachen und kompakten Aufbaus erreicht werden können. Wenn das Öffnungsverhältnis klein ist, beispielsweise zwischen 1:50 und 1:150, können gute Abtasteigenschaften erzielt werden.

Da eine torische Fläche hinsichtlich der zu der Ablenkebene senkrechten Richtung eingeführt ist, ist es möglieh, daß die Brennweite sich von der Brennweite in der Ablenkebene unterscheidet. Folglich ist es möglich, eine Abbildungsrelation zu erhalten, die sich von der Abbildungsrelation in der Ablenkebene unterscheidet und die Position der Ablenkfläche 3a des Ablenkelements und das abzutastende Material 5 können in eine konjugierte Beziehung gebracht werden.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es von größerer Wichtigkeit, daß mindestens eine Fläche der Einzellinse ^ mit einer torischen Fläche eine negative Brechkraft in dem zu der Ablenkebene senkrechten Querschnitt hat. Dies dient zur Korrektur der Krümmung des Bildfeldes, so daß bewirkt wird, daß der in dem zu der Ablenkebene senkrechten Querschnitt abgelenkte Lichtstrahl einen guten Abbildungsfleck auf dem abzutastenden Material 5 bildet. Dies bedeutet, daß die negative Brechkraft für den einfallenden Lichtstrahl in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene größer wird, wenn der Ablenkwinkel größer wird; dies führt zu einer Korrektur der Abbildungsebene in positiver Richtung.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, daß in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene die Form der Einzellinse k mit einer torischen Fläche vorzugsweise die einer Meniskus-Einzellinse sein sollte, deren Fläche mit positiver Brechkraft auf der Seite des abzutastenden Materials 5 angeordnet ist und die insgesamt eine positive Brechkraft hat. Dies führt dazu, daß die Hauptpunktposition der Einzellinse ^ mit einer torischen Fläche in dem Querschnitt

] senkrecht zur Ablenkebene nahe an das abzutastende Material gebracht wird. Infolge hiervon wird es möglich, das gesamte Linsensystem nahe an das Ablenkelement zu bringen, wodurch das Linsensystem kompakt wird.

Andererseits ist der gewünschte Wert des Verzeichnungskoeffizienten V, auf dem bei der Korrektur abgestellt wird, durch die Drehcharakteristik des Ablenkelements 3 bestimmt.
10

Wenn sich das Ablenkelement 3 mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit dreht, ist der Wert des Verzeichnungskoeffizienten, bei dem sich der durch das Ablenkelement abgelenkte Lichtstrahl auf dem abzutastenden Material 5 mit

2 gleichförmiger Geschwindigkeit bewegt, V = -~ .

Wenn das Ablenkelement 3 eine Sinusschwingung ausführt, wie sie durch tf = /_Q Sinus tot (ψ χ Drehwinkel, ^₀ ι Amplitude, ω: Winkelfrequenz und t : Zeit) so ist der Wert des Verzeichnungskoeffizienten, bei dem sich der durch das Ablenkelement 3 abgelenkte Lichtstrahl auf dem abzutastenden Material 5 mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegt, V = f (1 t )

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung soll im folgenden gezeigt werden.

Tabelle 1 zeigt den Aufbau eines Kollimatorobjektivs 1-b, dac den divergenten Lichtstrahl der Lichtquelle 1-a kollimicrt. ri (i = 1-10) sind die Krümmungsradien, di (1-9) sind die Luftabstände oder die Dicken der Linsen und Ni (i = 1-5) die Brechungsindizes der jeweiligen Glas materialien.

Der Aufbau ist in Fig. k gezeigt. Der Abstand zwischen dem Lichtemissionspunkt der Lichtquelle und der Fläche T₁ ist 2,59.

~^L->~ DE I927

Fig. 2 zeigt den Aufbau in einem Fall, in dem das Erzeugungssystem 2 für ein Linearbild eine Zylinderlinse ist, wie in Fig. 5 gezeigt. Ihre Zylinderachse ist parallel zur Ablenkebene angeordnet, r,, und r-,₂ sind die Krümmungsradien in Abfolge von der Seite der Lichtquelleneinrichtung 1 in einem Querschnitt, der die optische Achoe {·; enthält und senkrecht zur Ablenkebene ist, d-, _Q die axiale Dicke der Zylinderlinsen, und Ng der Brechungsindex ihres Glasmaterial.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt, der die optische

Achse g enthält und senkrecht zur Ablenkebene ist.

Die Tabellen 3 bis 6 zeigen den Aufbau des Erzeugungssystems 2 für ein Linearbild ab dessen dem Ablenkelement benachbarter Oberfläche. Von den in den Tabellen 3 und k angegebenen Parametern ist, wie in Fig. 6 gezeigt, d, ·, der Abstand zwischen der Oberfläche des Linearbild-Erzeugungssystems 2, die dem Ablenkelement und der optischen Achse der.torischen Linse 4 benachbart ist, d₁₂ der Abstand zwischen der optischen Achse g und der Fläche der torischen Linse k, die dem Ablenkelement benachbart ist, d,- die axiale Dicke der torischen Linse 4 und cL u der Abstand zwischen der torischen Linse 4 und dem abzutastenden Medium, r, - und r,j, sind die Krümmungsradien der torischen Linse in einer Ebene, die die optische Achse h enthält und parallel zu der Ablenkebene ist, und r.,~ und r·,^ die Krümmungsradien in einem Querschnitt, der die optische Achse h enthält und senkrecht zu der Ablenkebene ist. N₇ ist der Brechungsindex des Materials der torischen Linse.

Die Tabellen 3 und k zeigen den Aufbau von Ausführungsbeispielen für den Fall, daß das Ablenkelement ein Dreh-Polygonspiegel ist, der eine Drehung mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit ausführt, und der Radius Rp des in den Dreh-Polygonspiegel eingeschriebenen Kreises 28,85 mm ist, und daß die Drehachse einen Abstand

- ■ Ji * -

λ 2 °⁷1 ?⁷ . 'IV DE.: 1927

X = 21 π}γπ von der opt^sph^n Achse g und Y= 21. mm von der optischen Ap-hse h hat,

Bei den Ausführung^fteispielen gemäß den Tabellen 3 β und k hat d4_e torische, J4pse b in dem Querschnitt, der die optische Achse h enthält und senkrecht zu der Ablenkebene ist, eine konkave Fläqhe,*wobei die dem Ablenkelement benachbarte Fläche nega^iv-e, -B^echkraft hat; wenn der Ablenkwinkel des Strahls im Vell&üi" der Drehung des Ablenkele-

:■ ". Ci- i* .. ·■·>■--

φ ments zugenommen hat,' h^lid^s eine Korrekturwirkung auf die entsprechende Bildfeldkrümmung in der Ebene senkrecht zur AblenkeJ|ene. _; Jn-giei||g||e,^s^pkrecht zur Ablenkebene

il^l Öi

ist sie eine Meniskueliflfl^ffllt' Öiner dem Ablenkelement benachbarten konkaven Flache und hat insgesamt positive !5 Brechkraft. Beide Merkmaie können die Geschwindigkeit des Abbildungsflecks auf dem abzutastenden Material vergleichmäßigen.

Tabelle 5 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels für den Fall, daß das Ablenkelement eine Sinusschwingung ausführt, wie in Fig. 7 gezeigt, und die Drehachse am Schnittpunkt der optischen Achse g und der optischen Achse h und auf der Reflexionsfläche liegt.

In diesem Falle hat die torische Linse wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Tabellen 3 und k in dem Querschnitt, der die optische Achse h enthält und senk~ recht zu der Ablenkebene ist, eine konkave Fläche, wobei die dem Ablenkelement benachbarte Fläche negative Brechkraft hat und eine Rolle; für die Korrektur der Bildfeldkrümmung spielt. Bei diesen Ausführungsbeispielen kann die Bewegungsgeschwindigkeit des Abbildungsflecks auf dem abzutastenden Material gut vergleichmäßigt werden.

Die Fig. 8 bis 10 zeigen die Bildfeldkrümmung bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Tabellen 3 bis 5· Die durchgezogene Linie gibt die Bildfeldkrümmung in der Ablenkebene und die gestrichelte Linie die Bildfeldkrümmung

32G7467 _₁₅_ _{DE 192?}

in einer Ebene senkrecht zur Ablenkebene an. Q ist. der Ablenkwinkel (Bildfeldwinkel).

Die Fig. 11 bis 13 zeigen die Verzeichnung i'ür gleichmäßige Geschwindigkeit bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Tabellen 3 bis 5. Die Verzeichnung ist durch die folgende Gleichung definiert:

Υ·(θ) - Y'_Q Verzeichnung = ^: ^{x 10}°

ίο

Hierbei ist Y'(€) der Abstand von der optischen Achse h auf dem abzutastenden Material zu dem Abbildungsfleck für den Ablenkwinkel Q, und Y'₀(ö) der ideale Abstand von der optischen Achse h zu dem Abbildungsfleck für eine vergleichmäßigte Bewegungsgeschwindigkeit des Abbildungsflecks auf dem abzutastenden Material für den Ablenkwinkel •Θ. Die Fig. 11 und 12 zeigen die Verzeichnung, wenn Y ■ _Q = Κ·θ, wobei Fig. 11 die Verzeichnung zeigt, wenn K = 2^2,00 und Fig. 12 die Verzeichnung, wenn K = 2^2,^7. Fig. 13 zeigt die Verzeichnung wenn Y'_o = 2^JC*Sinus (-— ), wobei J^₀ die Amplitude des Sinusschwingungen ° ausführenden Ablenkelements ist; Fig. 13 gibt die Verzeichnung an, wenn </_Q = 0,497^2 rad und K= 2^-7,82.

25

Die Fig. 8 bis 10 zeigen die Bildfeldkrümmung, wobei das abzutastende Material 5ι das in den Fig. 6 bzw. 7 gezeigt ist, als Referenzlage genommen wird; bei allen diesen Ausführungsbeispielen ergibt sich die Korrekturwirkung der Bildfeldkrümmung dadurch, daü gilt:

^rl3

35

Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 8 und 9 kön nen die Bildfeldkrümmung innerhalb der Schärfentiefe dadurch unterdrücken, daß das effektive Öffηungsverhältnis

des abgebildeten Lichtstrahls auf dem abzutastenden Material in der Größenordnung 1j140 ist; hierbei kann ein gleichmäßiger Abbildungsfleck-Durchmesser erzieht werden. Die Fig. 11 und 12 zeigen die Verzeichnung für die Ausführungsbeispielej beide Ausführungsbeispiele können ein gutes Bild auf dem abzutastenden Material mit einer Verzeichnung innerhalb von 1% erzeugen.

Bei dem Ausi'ührungsbeispiel gemäß Tabelle 3 ist die Fläche der torischen Linse, die dem Ablenkelement benachbart ist, eine zylindrische Fläche in dem Querschnitt parallel zur Ablenkebene; eine derartige zylindrische Fläche kann, sogar wenn das Material Glas ist, leicht durch Schleifen hergestellt werden.
15

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Tabellen k oder 5 hat eine bi-torische Fläche; wählt man als Material ein Kunststoffmaterial wie Acryl, so ist es.leicht möglich, eine derartige Fläche durch Pressen, einen Injektions-Sprit'/.Vorgang odor einen Schmelzvorgang bzw. einen Guß-Vorgang herzustellen.

Die vorstehenden Ausführungsbeispiele sind für einen Fall beschrieben worden, daß der von der Lichtquelleneinrichtung 1 emittierte Lichtstrahl ein paralleler Lichtstrahl ist; aber auch wenn der Strahl ein divergenter oder ein konvergenter Lichtstrahl ist, kann die Erfindung leicht auf der Grundlage dieser Ausführungsbeispiele realisiert werden.

Es ist ferner möglich, einen Halbleiterlaser oder eine Leuchtdiode alia Lichtquelle zu verwenden. Alternativ kann ein optisches Strahl-Umformungssystem zwischen der Lichtquelleneinrichtung und dem Ablenkelement angeordnet werden, so daß ein gewünschtes Öffnungsverhältnis des abgebildeten Lichtstrahls dadurch erzielt werden kann, daß als Lichtquelleneinrichtung ein Laser, wie beispielsweise ein He-Ne-Laser verwendet wird, der einen parallelen

DE 1927

1 Strahl aussendet. Die in der vorliegenden Beschreibung verwendete Längeneinheit ist mm.

Tabelle 1

	r₂	OO	368	di	1.	3	N₁	1.	60907
	r₃ Γι,	OO	813	d₂	1.	4
	r₅	• -38.	6	ds	1.	31	N₂	1.	79320
10	r₆	-6.	603	d-	8.	7
	Γ7	333.	786	ds	0	8	N₃	1	.61571
	r₃ r₉	32.	.141	d₆	0	.62	N,,
	ri ο	-41.	.932	d-/	1	.29		1	.79 320
Ib		-16	.352	d₈	0	,11	N₅
	-71		d₉	1	.63		1	.79320
	-23
20

25

Tabelle 2

ri ι	30.789	di ο	7.	N₆	1.71037
ri2	OO

35

-18-

DE 1927

Tabelle 3

	CU	ri 3	-138.	5302	di	1	37	.33	N₇	1.63398
	-158.4066	ri k	-32.	1568	di	2	74	.392
η 3				di	3	14.
ri ι,				di	k	234	.82

15 2l 25 3C

Tabelle

	1197	.108	ri 3	-108	.3506	di	1	38	.33	N₇	1.	4833
	-133	.795		-24	.8356	di	2	74	.365
ri 3					di	3	14.
f 1 Μ					di	It	234	.82

Tabelle 5

	-163	.63	Il 3	-51	.47	di	1	39.33	N₇	1	.4833
	-71	.44	ΓΙ K	-17	.169	di	2	45.27
f 1 3					di	3	14.00
f 1 .,					_dl	1«	253.81

Im folgenden soll ein Verfahren zur unabhängigen Einstellung bei dem vorstehend beschriebenen optischen System der Position des Bildpunktes in dem Querschnitt parallel zur Ablenkebene und der Position des Bildpunktes in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene beschrieben werden.

In Fig. 2 ist es in dem Querschnitt parallel zur Ablenkebene möglich, den Grad der Divergenz oder den Grad der Konvergenz des von der Lichtquelleneinrichtung 1 ausgesandten Lichtstrahls einzustellen, go daß sich die Position des Bildpunktes bewegt, nachdem der Strahl durch das zweite optische' Abbildungssystem hindurchgegangen ist, das zwischen dem Ablenkelement 3 und dem photoempfindlichen Material 5 angeordnet istj somit wird es möglich, eine optimale Abbildung auf dem photoempfindlichen Material 5 zu realisieren. Dies wird dadurch möglich, daß der Abstand zwischen der Lichtquelle 1-a und der Kollimatorlinse 1-b (siehe Fig. k) eingestellt wird.

Andererseits ist es in Fig. 3 möglich, das erste optische Abbildungssystem 2 in Richtung parallel zu der optischen Achse zu verschieben, so daß hierdurch die Position des Linearbildes relativ zu der Ablenk- und Reflexionsfläche 3^a verschoben wird sowie die Abbildun^upoyition konjugiert zu der Position des Linearbildes zu verschieben. Folglich wird es möglich, eine optimale Abbildung auf dem photoempfindlichen Material 5 zu realisieren.

Das vorstehend beschriebene Einstellverfahren zeigt allgemein Wirkung in den folgenden beiden Fällen.

Der erste Fall ist der Fall, daß sich die Ursprungs punkte der Divergenz der Lichtquelle in zwei zueinander senkrechten Richtungen unterscheiden. Wenn nicht die vorstehend beschriebene Einstellung durchgeführt wird, unterscheiden sich die Abbildungspositioncn in zwei zueinander senkrechten Richtungen auf dom photoompi'ind Liehen Mut υ rial voneinander und es wird unmöglich, eine geeignete Form des

46 / -20- de 1927

Flecks zu erzielen. Wenn das vorstehend beschriebene Einstellverfahren verwendet wird, beispielsweise wenn das photoempfindliche Material 5 an der optimalen Abbildungsposition in der Ablenkebene angeordnet ist, kann die Position des ersten optischen Abbildungssystems 2 in Richtung der optischen Achse bewegt werden, so daß hierdurch die optimale Abbildungsposition in Richtung senkrecht zu der Ablenkebene mit dem photoempfindlichen Material übereinstimmt.

10

Im zweiten Fall unterscheiden sich die Abbildungspositionen in zwei zueinander senkrechten Richtungen auf dem photoempfindlichen Material voneinander, wenn ein Fehler in der Flächengenauigkeit, der Dicke oder der Anordnung

Ib des Linsensystems auftritt. Wenn in diesem Falle das vorstehend beschriebene Einstellverfahren verwendet wird, beispielsweise wenn das photoempfindliche Material 5 an der optimalen Abbildungsstelle in der Ablenkebene angeordnet ist, wird es möglich, die Position des ersten optischen Abbildungssystems 2 in Richtung der optischen Achse zu verschieben, so daß es möglich wird, daß die optimale Abbildungyposition in Richtung senkrecht zu der Ablenkebene mit dem photoempfindlichen Material übereinstimmt.

Im folgenden sollen spezielle Verfahren beschrieben werden, das erste optische Abbildungssystem in Richtung der optischen Achse zu bewegen, sowie eine Einrichtung hierfür.

Bei dem ersten Verfahren wird das erste optische Abbildungssystem auf einem beweglichen Träger angeordnet.

Bei dem zweiten Verfahren werden Abstandshalter relativ zu einer Referenzfläche eingesetzt. 35

Ein Ausführungsbeispiel für das Verfahren, bei dem das erste optische Abbildungssystem auf einem beweglichen Träger angeordnet wird, ist in Fig. Ik gezeigt. In dieser F¹X-

gur ist das erste optische Abbildungssystem auf einem beweglichen Träger 6 mittels eines Halters 7 befestigt.

Die linken und die rechten Enden des beweglichen Trägers 6 und einer festen Platte 8 sind miteinander über eine Schwalbenschwanzführung 6 · verbunden. Eine !«'ührungi.;-schraube 9 mit einem Drehknopf 10 an dem einen linde ist über eine Schraubenverbindung mit dem beweglichen Träger verbunden. Der Drehknopf 10 ist drehbar relativ zu einem Schraubenaufnehmeteil 11 gehalten; durch Drehen des Drehknopfs 10 nach links oder nach rechts kann der bewegliche Träger 6 in Richtung der optischen Achse g nach vorne und nach hinten geführt werden. Folglich kann das erste optische Abbildungssystem 2 genau ohne Ausschläge relativ zu der Richtung der optischen Achse g bewegt werden.

Fig.15 zeigt einen Querschnitt, der ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens erläutert, bei dem Abotandocl-cmcnte relativ zu einer Referenzfläche eingesetzt werden.

20

In Fig. 15 ist das erste optische Abbildungssystem 2 auf einer optischen Halterung 12 angeordnet. Die Referenzfläche 12' der optischen Halterung 12 und die Frontfläche des ersten optischen Abbildungssystems 2 sind in Kontakt miteinander, wobei eine Vielzahl von Abstandselementen l*l· zwischen sie eingeschoben sind. Das erste optische Abbildungssystem 2 wird von hinten durch eine Blattfeder 13 angepreßt, die an dem optischen Halteelement 12 befestigt ist. Durch Entfernen der Abstandselemente 14 oder durch Einsetzen zusätzlicher Abstandselemente kann das erste optische Abbildungssystem 2 in Richtung der optischen Achse g nach vorne und nach hinten bewegt werden.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die minimale Einheit der Größe der Bewegung des ersten optischen Abbildungssystems durch die Dicke eines Abstandselements bestimmt ist. Verglichen jedoch mit dem vorigen Verfahren, bei dem ein beweglicher Träger verwendet wird, kann bei

_DE

diesem Verfahren das erste optische Abbildungssystem in Richtung der optischen Achse mittels eines sehr einfachen Mechanismus bewegt werden.

Bei dem optischen System, wie es in Fig. 6 oder 7 gezeigt ist, wird, wenn die Position des abzutastenden Materials mit dem optimalen Bildpunkt in dem Querschnitt parallel zur Ablenkebene übereinstimmt, oder wenn die i'lächengenauigkeit der torischen Linse 4 durch einen Bearbeitungsfehler verschlechtert ist, oder wenn ein Fehler in der Position in Richtung der optischen Achse derselben Linse während des Zusammenbaus aufgetreten ist, angenommen, daß der optimale Abbildungspunkt in dem Querschnitt senkrecht zu der Ablenkebene den Abstand dSk· von der Position des abzutastenden Materials hat. Diesar Zustand ist in Fig. 16 gezeigt. Wenn bei einem idealen System, das frei von irgendwelchen Fehlern in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene ist, das Linearbild C nahe der Oberfläche des Ablenkspiegels mit einer Vergrößerung Q am Bildpunkt C des abzutastenden Materials 5 gebildet wird, kann die Position des Erzeugungssystems 2 für das Linearbild um - ASk '/ß bewegt werden, um die Abweichung 4Sk · zu korrigieren (siehe Fig. 16) und ein konjugiertes Bild auf dem abzutastenden Material zu bilden.

Bei den vorstehend beschriebenen optischen Abtastsystemen ist ß < -1 und die Größe der Bewegung des Erzeugungssystems 2 für das Linearbild kann kleiner sein als I-4Sk' I . Wenn der Wert der Bildvergrößerung | ß| größer ist, wird die Größe der Bewegung des Erzeugungssystems für das Linearbild kleiner.

Wenn beispielsweise ASk' = 10 mm und ß = -5» so ist die Größe der Bewegung des Erzeugungssystems für das Linearbild -ASlc'/ß² =-0,4 mm.

Somit kann bei dem erfindungsgemäßen optischen System die Wirkung der Korrektur der Brennpunktiage groß

20746/ _2.3- de 1927

dadurch gemacht werden, daß das Erzeugungssystem für das Linearbild in einfacher Weise um eine kleine Größe verschoben wird.

Beschrieben wird ein kompaktes optisches Abtastsystem, das eine Erzeugungseinrichtung Tür einen Abtastlichtstrahl, ein Ablenkelement zum Ablenken des Lichtstrahls der Erzeugungseinrichtung in einer bestimmten Richtung, ein erstes optisches System, das den Lichtstrahl der Erzeugungseinrichtung linear nahe der Ablenk- und Reflexionsfläche des Ablenkelements ausbildet, und ein zweites optisches Element aufweist, das als ein optisches Element mit einer Brechkraft zwischen dem Ablenkelement und einer abzutastenden Oberfläche angeordnet ist. Das einzige optische Element hat eine Brechkraft sowohl in der Ablenkebene des durch das Ablenkelement abgelenkten Lichtstrahls als auch in einer zu der Ablenkebene senkrechten Ebene; die Brechkräfte in diesen beiden orthogonalen Ebenen unterscheiden sich.

25

30

35

L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

1. Kompaktes optisches Abtastsystem, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (1) zum Anlegen eines Abtastlichtstrahls, eine Einrichtung (3), die den Lichtstrahl der Anlegeeinrichtung in einer vorgegebenen Richtung ablenkt, eine erste optische Einrichtung (2), die den Lichtstrahl der Anlegeeinrichtung linear nahe der Ablenk- und Reflexionsfläche (3a) der Ablenkeinrichtung ausbildet, und ein einziges optisches Element (4), das als ein opti-0 sches Element mit einer Brechkraft zwischen der Ablenkeinrichtung (3) und einer abzutastenden Oberfläche (5). auf der der Strahlfleck abtastet, angeordnet ist, wobei das einzige optische Element (^) eine Brechkraft sowohl in der Ablenkebene des Lichtstrahls, der von der Ablenkeinrichtung abgelenkt wird, als auch in einer zu der Ablenkebene senkrechten Ebene hat, wobei die Brechkräfte in diesen orthogonalen Ebenen unterschiedlich sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige optische Element (^) eine Einzellinse mit einer torischen Fläche ist, die in einem Querschnitt, der die optische Achse enthält und senkrecht zu der Ablenkebe ne ist, Meniskusform hat, wobei ihre konkave Fläche der Ablenkeinrichtung gegenüberliegt und die Meniskusform eine Oberfläche mit positiver Brechkraft umfaßt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Querschnitt, der die optische Achuu ent-

ό ZU I H -Z- DE I927

hält und parallel zu der Ablenkebene ist, das einzige optische Element (k) Krümmungsradien r-, „ und r, ^, in dieser Reihenfolge von der Seite der Ablenkeinrichtung hat, und in einem Querschnitt, der die optische Achse enthält und senkrecht zu der Ablenkebene ist, Krümmungsradien r,~ und r-,^ in dieser Reihenfolge von der Seite der Ablenkeinrichtung, wobei die Krümmungsradien die folgenden Beziehungen erfüllen 1

<■

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das einzige optische Element aus Kunststoffmaterial hergestellt ist.

5. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der die optische Achse enthaltenden Ablenkebene das einzige Linsenelement plankonvexe Form hat, wobei die konvexe Fläche zu der abzutastenden Oberfläche gerichtet ist.

6. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der die optische Achse enthaltenden Ablenkebene das einzige Linsenelement bikonvexe Form hat.

7. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,, daß in der die optische Achse enthaltenden Ablenkebene das einzige Linsenelement Meniskusform hat, wobei die konvexe Fläche zu der abzutastenden Oberfläche gerichtet ist.

8. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Querschnitt, der die optische Achse enthält und senkrecht zu der Ablenkebene ist, der Absolutwert des Krümmungsradius der Seite der Einzellinse, die der Ablenkeinrichtung benachbart ist, größer als der Absolutwert des Krümmungsradius der Seite der Einzellinse ist, die der abzutastenden Oberfläche benachbart ist.

-3- DE I92?

9. Kompaktes optisches Abtastsystem, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (1) zum Anlegen eines Abtastlichtstrahls, eine Einrichtung (3), die den Lichtstrahl der Anlegeeinrichtung in einer bestimmten Richtung ablenkt, cine erste optische Einrichtung (2), die den Lichtstrahl der Anlegeeinrichtung linear nahe der Ablenk- und Reflexions fläche (3a) der Ablenkeinrichtung ausbildet, eine Einrichtung, die die erste optische Einrichtung in Richtung der optischen Achse bewegt (siehe Fig. lA bzw. I5) und eine zweite optische Einrichtung (4), die zwischen der Ablenkeinrichtung und einer abzutastenden Oberfläche"(5) angeordnet ist, um den durch die Ablenkeinrichtung abgelenkten Lichtstrahl auf der abzutastenden Oberfläche zu kondensieren, wobei die zweite optische Einrichtung (4) aus einer torischen Linse besteht.

10. Kompaktes opiiuchus Abtastsystem, gekennzeichnet durch einen Lichtquellenteil, der einen monochromatischen kollimierten Lichtstrahl anlegt, eine Ablenkeinrichtung, die den Lichtstrahl des Lichtquellenteils in einer vorgegebenen Richtung ablenkt, ein erstes optisches Abbildungssystem, das aus dem Lichtstrahl des Lichtquellenteils eine Lichtstrahlkomponente in Richtung senkrecht zu der Ablenkebene des Lichtstrahls aufgrund der Ablenkeinrichtung linear nahe der Ablenk- und Reflexionsfläche der Ablenkeinrichtung bildet, und eine torische Linse (4), die zwischen der Ablenkeinrichtung und einer abzutastenden Oberfläche angeordnet ist, um auf der Ablenkebene den von der Ablenkeinrichtung abgelenkten Lichtstrahl zu kondensieren, wobei die torische Ebene in einer Ebene senkrecht zu der Ablenkobene die Ablenk- und Reflexions fläche der Ablenkeinrichtung und die abzutastende Oberfläche ox>tisch konjugiert hält, und in einer Ebene parallel-zu der Ablenk-.ebene einen Verzeichnungswert hat, der bewirkt, daß der von der Ablenkeinrichtung abgelenkte Lichtstrahl sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit auf der abzutastenden Oberfläche bewegt.