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Beschreibung Die Erfindung betrifft eim Scanning-Vorrichtung zum
Scannen einer Fläche mit einem fokussierten Strahlenbündel, mit einer Strahlungsquelle,
die ein Strahlenbündel aussendet, mit einem ersten Deflektor, der das Bündel in
Abhängigkeit von einer Steuerung in einer ersten Richtung ablenkt, und einem zweiten
Deflektor, der das vom ersten Deflektor kommende Bündel in Abhängigkeit von einer
Steuerung in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung ablenkt und mit einem
Objektiv, das das Bündel auf die Fläche fokussiert.
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Das Scannen von Flächen wird in wachsendem Maße zum Abtasten (Lesen),
Schreiben und Bearbeiten von Flächenmustern verwand.
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Dazu muB ein Strahlenbündel über die Fläche, also in zwei Richtungen,
geführt werden. Als Ausgangsbündel werden z.B.
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zweckmäßig parallele Bündel verwendet, wie sie in Form von Laserstrahlen
in ausgezeichneter Näherung zur Verfügung stehen. Dieses Scannen in zwei Richtungen
geschieht meisteins, und so auch im vorliegenden Falle, dadurch, daß das Bündel
über Def lektoren gelenkt wird, die es gesteuert in die x- und/oder y-Richtung ablenken.
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Unter Deflektoren sollen hier optische Bauelemente verstanden werden,
die das Bündel, im wesentlichen unter Erhalt seines Querschnitts und seiner Öffnung,
in seiner Richtung verändern. Dies können z.B. Planspiegel sein, die um eine Achse
in der Spiegelfläche gedreht werden, oder aber z.B. Prismen die verschwenkt werden.
Es werden
auch akusto-optische Deflektoren mit Vorteil verwendet,
sowie Polygonspiegel.
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Unter Ablenkung in einer Richtung" durch einen Deflektor wird hier
verstanden, daß die Veränderung des Deflektors eine Bewegung des Bündels bzw. seines
Fokus in dieser Richtung bewirkt.
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Wird nur ein einziger solcher Deflektor verwendet, z.B. ein Planspiegel,
so muß dieser, um eine Ablenkung in zwei Richtungen zu erhalten, um zwei Achsen
gedreht oder gekippt werden. Das ist mechanisch aufwendig und führt zu einer Herabsetzung
der Geschwindigkeit und/oder Präzision des Systems.
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Die Verwendung zweier Deflektoren ist wegen des vorstehenden heute
weitestgehend üblich. Sie führt aber zwangsläufig dazu, daß die Deflektoren im Strahlengang
an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind. Dies führt bei Verwendung eines Objektivs
wiederum dazu, daß z.B. eine bestimmte Verdrehung nicht bei beiden Spiegeln einen
radial von der Achse des nachfolgenden fokussierenden Objektivs gleichen Abstand
des Bündels von der optischen Achse bewirkt und somit auch nicht einen gleichen
Abstand vom Durchstoßungsp;unkt der optischen Achse auf der zu scannenden Fläche.
Daher müssen diese Abweichungen durch eine unterschiedliche Steuerung in x- und
y-Richtung kompensiert werden, was den Aufbau der Vorrichtung weiter kompliziert.
Viele gerade beim Scannen verwendete Objektive wirken auch nur dann optimal, wenn
aus einem bestimmten Abstand von der optischen Achse her einfallende Strahlen unter
einem bestimmten Winkel einfallen, wie das z.B. der Fall ist, wenn die Strahlen
alle aus dem deflektorseitigen Brennpunkt des Objektivs kommen. Bislang wird in
solchen Fällen versucht, beide Deflektoren etwas aus dem jeweils optimalen Punkt
zu verrücken. Dies führt aber zu verschlechterter Abbildung.
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Es wurde auch schon vorgeschlagen, durch die Verwendung eines sogenannten
"Relaisobjektives" einen zweiten'Schwerpunkt" zu erzeugen, in dem dann der zweite
Spiegel angeordnet wird. Da diese Objektive hochwertig und teuer sind, der Gesamtaufbau
komplizierter und räumlich ausgedehnter wird, ist auch diese Anordnung nicht befriedigend.
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Die Erfindung schafft daher eine Scanning-Vorrichtung der angegebenen
Gattung, die die optimale Ausnutzung der Objektiveigenschaften bei Benutzung zweier
räumlich getrennter Def lektoren erlaubt.
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Diese wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Objektiv ein
anamorphotisches Element aufweist, dessen eines Teilelement nur in den die erste,
(y-)Richtung enthaltenden Ebenen brechend ist und das Objektiv für diese y-Ebenen
auf den Abstand des ersten Deflektor abstimmt, und dessen anderes Teilelement nur
in den die zweite, (x-)Richtung enthaltenen Ebenen brechend ist und das Objektiv
für diese x-Ebenen auf den Abstand des zweiten Deflektors abstimmt.
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Dies hat insbesondere den Vorteil, das nunmehr zwei Deflek--toren
unabhängig voneinander verwendet werden können, und dennoch eine optimale Abbildung
durch das eine Objektiv ermöglicht wird. Es ist somit möglich, die Def lektoren
z.B.
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jeweils im Brennpunkt des zugehörigen Teilelements + Restobjektiv
anzuordnen und so zu erreichen, daß die Bündelachsen nach dem Gesamtobjektiv achsparallel
(telezentrisch) verlaufen.
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Obwohl anamorphotische Elemente, bspw. zwei gekreuzte Zylinderlinsen,
lange bekannt sind, wurden sie bislang nur dazu benutzt, eine Objektebene in eine
Bildebene, jedoch mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben in Längs- und Querrichtung,
abzubilden. Im vorliegenden Fall werden jedoch unterschiedliche
Verhältnisse
Winkel/Abstand in x- und y-Richtung fokusseitig egalisiert.
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Bevorzugt ist das Objektiv als Scanning-Objektiv ausgebildet.
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Unter Scanning-Objektiven werden Objektive verstanden, bei denen 1.)
der Fokus eines eintretenden Parallelstrahl-(z.B.
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Laserstrahl-)Bündels unabhängig vom Eintrittswinkel (also dem Drehwinkel)
immer in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse liegt (das also ein Planfeld-Objektiv
ist), und 2.) der Abstand des Fokus von der optischen Achse proportional zum Eintrittswinkel
ist (Tangenskorrektur).
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Es ist ersichtlich, daß dies jeweils besonders wichtig für das Scannen
ist, da die meisten zu beaufschlagendenObjekte eben sind und eine einfache Steuerung
der Deflektoren ermöglicht wird. Jedoch ist die Konstruktion eines solchen Scanning-Objektivs
nur für einen bestimmten Abstand des Deflektors, bspw. eines Drehspiegels, zum Objektiv
ausgelegt. Bei herkömmlichen Scanning-Vorrichtungen mit solchen speziellen Scanning-Objektiven
konnte also ein Bündelabsenksystem mit zwei Deflektoren nur unter Inkaufnahme eines
Verlustes der optimalen Eigenschaften des Objektivs verwendet werden. Bei einer
Vorrichtung mit Scanning-Objektiv, bei der die Lehre der Erfindung verwirklicht
wird, können somit die Vorteile der Verwendung zweier Deflektoren (einfacherer Aufbau,
größere Schnelligkeit) und des Scanning-Objektivs optimal genutzt werden.
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Bevorzugt ist die Anordnung für fokusseitig telezentrischen Strahlengang
der Bündelachsen ausgebildet. Die Umlenkpunkte liegen also im jeweiligen Brennpunkt
des für die Ebene abgestimmten Teilobjektivs und es wird Achsparallelität der Achsen
der austretenden Bündel erreicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen,
auf die bezüglich der Offenbarung ausdrücklich verwiesen wird, an einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße
Scanning-Vorrichtung mit dem Objektiv in Seitenansicht und der x-Richtung parallel
zur Zeichenebene, und Fig. 2 die Scanning-Vorrichtung aus Fig. 1 um 900 um die optische
Achse des Objektivs gedreht, mit der y-Richtung in der Zeichenebene.
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Eine Parallelstrahlbündel S (Laserstrahl) wird aus einer (nicht gezeigten)
Laserstrahlquelle auf den Deflektor für die y-Richtung, D ,und von dort auf den
Deflektor für die x-Richtung, y Dx s gelenkt.
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Die Deflektoren sind hier als Drehspiegel ausgebildet. Der Strahlengang
ist nur schematisch und in die Zeichenebene geklappt dargestellt.
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Vom Drehspiegel D wird der dann in zwei Richtungen abgelenkte x Strahl
auf das aus zwei Hauptbestandteilen LI und LII bestehende Scanning-Objektiv gerichtet.
Bei herkömmlichen Scanning-Objektiven befindet sich an der Stelle LI eine sphärische
Linse bzw. Linsengruppe. Dieser Teil des Scanning-Objektives ist hier als anamorphotisches
Element ausgebildet. Eine erste Zylinderlinse Z hat ihren Radius in der die x-Richtung
entx haltenden Ebene bzw. Ebenenschar und die Zylinderachse in der dazu senkrechten
y-Richtung, senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1. Durch die Zylinderlinse Z wird
das Bündel nur in x den die x-Richtung enthaltenden Ebenen gebrochen. Die Kombination
aus Z und dem restlichen Scanning-Objektiv LII ist so x abgestimmt und zum Drehpunkt
des Drehspiegels D beabstandet, x
daß das Bündel in den x-Ebenen
in der zu scannenden Fläche A fokussiert ist. Das Objektiv ist, wie erwähnt, ein
Planfeldobjektiv und der Abstand des Bündelfokus von der optischen Achse ist proportional
zum Eintrittswinkel. Ferner wird Telezentrizität in den Bündelachsen erreicht.
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Entsprechend ist das Teilelement Z des anamorphotischen y Elementes
als Zylinderlinse mit dem Radius in den y-Ebenen und der Zylinderachse in x- Richtung
ausgebildet. Das Gesamtobjektiv aus Z und LII ist nun für die y-Ebenen auf die y
Drehachse des Drehspiegels D abgestimmt, wie aus Fig. 2 y ersichtlich. Somit ergibt
sich auch für die y-Ebenen eine Fokussierung auf der zu scannenden Fläche A; auch
für diese ist der Abstand des Fokus von der optischen Achse proportional zum Eintrittswinkel.
Ferner ist der Abstand von der optischen Achse für einen vorgegebenen Drehwinkel
von Dx und x D in der Fokussierebene A gleich. Telezentrizität ist auch y in den
y-Ebenen für die Bündelachsen erreicht.
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Die gestrichtelten Bündel S' entsprechen jeweils der gestrichelten
Spiegelstellung der Drehspiegel Dx bzw. Dy Durch die Verwendung des anamorphotischen
Elementes kann also in beiden zueinander senkrechten Richtungen und für beide Drehspiegel
die optimale Anordnung von Drehspiegel und Scanning-Objektiv gewählt werden und
somit das Laserstrahlbündel zuverlässig in einer Ebene fokussiert und der Fokus
in dieser Ebene bewegt werden.