DE3309848C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Strahlabtastvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine optische Strahlabtastvorrichtung dieser Art besitzt grundsätzlich einen solchen Aufbau, daß ein von einem solchen Laser oder einer anderen Lichtquelle emittierter Lichtstrahl auf einen in Pfeilrichtung drehbaren Polygonalspiegel geworfen, von dessen Spiegelfläche(n) reflektiert und sodann durch eine Sammellinse (f · R-Linse) geleitet wird, so daß ein Lichtpunkt erzeugt wird, der sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in Abtastrichtung (d. h. x-Richtung) längs einer Abtastlinie oder -zeile auf einer Abtastfläche bewegt. Falls dabei die einzelnen Spiegelflächen nicht genau parallel zur Drehachse des Polygonalspiegels liegen bzw. eine Winkelabweichung zwischen den Spiegelflächen und der Drehachse (d. h. ein Neigungswinkelfehler) vorliegt, verlagert sich der Lichtpunkt ungleichmäßig in einer Richtung senkrecht zur Abtastrichtung (d. h. in y-Richtung). Wenn der Neigungswinkelfehler der Spiegelfläche mit ΔR angenommen wird, ergibt sich auf der Abtastfläche, d. h. der abgetasteten Fläche, eine Verschiebungsgröße von Δd=2f · ΔR (mit f=Brennweite der Sammellinse). Dieser Neigungswinkelfehler und Schwingungen der Drehachse oder Welle führen zu einer Änderung in der Teilung der Abtastzeilen, so daß zur Ausschaltung dieser ungünstigen Wirkung bestimmte Gegenmaßnahmen getroffen werden müssen. Als eine solche Gegenmaßnahme könnte daran gedacht werden, die Fertigungsgenauigkeit zu verbessern und damit den Neigungswinkelfehler möglichst zu verkleinern. In der Praxis hat aber die Fertigungsgenauigkeit bereits nahezu ihre möglichen Grenzen erreicht, und selbst wenn eine noch höhere Fertigungsgenauigkeit erreicht werden könnte, würden sich weitere schwerwiegende Probleme dahingehend ergeben, daß die Fertigung zahlreiche Arbeitsgänge erfordert, die Massenfertigung schwierig wird und die Fertigungskosten entsprechend ansteigen.

Weiterhin ist eine Abtastvorrichtung bekannt, bei welcher Zylinderlinsen benutzt werden, um praktisch parallel zur Richtung der optischen Achse einen flachen Strahl zu erzeugen. Der flache Strahl wird auf den Polygonalspiegel geworfen, wobei zwischen der Sammellinse und der Abtastfläche eine weitere Zylinderlinse angeordnet ist. Bei dieser Vorrichtung ergibt sich das Problem, daß eine gleichmäßige (Abtast-)Punktgröße über die gesamte Abtastbreite hinweg nicht erreicht werden kann.

Aus der DE-OS 30 20 241 ist eine Korrektureinrichtung zur Kompensation von durch den Drehspiegel hervorgerufenen Neigungswinkelfehlern bekannt, die zwischen Lichtquelle und rotierendem Polygonalspiegel angeordnet ist. Diese Korrektureinrichtung ist mit einem Lichtumlenkelement und zwei, jeweils eine Mehrzahl von Linsen umfassenden optischen Systemen vom avokalen Typ aufgebaut und dient wie die vorstehend beschriebene Zylinderlinsenanordnung zur Strahlverbreiterung in der horizontalen Abtastrichtung. Diese Korrektureinrichtung erlaubt ausschließlich eine Kompensation von Neigungswinkelfehlern und ist mit dem Nachteil einer fluktuierenden Abtastfleckform in horizontaler Abtastrichtung behaftet.

Dies gilt ebenfalls für die durch die DE-OS 29 42 041 offenbarte Kompensation von Neigungswinkelfehlern, die vom Drehspiegel verursacht sind. Bei dieser bekannten Abtastvorrichtung wird ebenfalls eine komplexe Kompensationseinrichtung mit einer Vielzahl optischer Elemente verwandt. Diese bekannte Abtastvorrichtung ist ebenfalls mit dem Nachteil einer fluktuierenden Abtastfleckgröße behaftet.

Aus der DE-OS 25 48 921 ist eine Abtastvorrichtung bekannt, die die Erzeugung einer linearen Abtastlinie mit Hilfe eines zusätzlichen, sphärisch gekrümmten, feststehenden Spiegels vorsieht, der zwischen Abtastfläche und Drehspiegel angeordnet ist. Hierdurch sollen Abtastfehler in der Fokussierebene aufgrund des bogenförmigen Weges eines mittels eines ebenen Drehspiegels erzeugten Abtastfleckes eliminiert werden.

Im Hinblick auf den vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße optische Strahlabtastvorrichtung so zu verbessern, daß eine gleichmäßige Abtastfleckform über die gesamte Abtastbreite hinweg gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1c schematische Darstellungen des Aufbaus einer optischen Strahlabtastvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Leitelements als Beispiel für ein Spannelement für eine Zylinderlinse,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines anderen Leitelements,

Fig. 4 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht eines Teils des Leitelements nach Fig. 10 und

Fig. 5, 6a, 6b, 7a und 7b schematische Darstellungen zur Veranschaulichung einer Strahlformeinrichtung.

Die Fig. 1a bis 1c veranschaulichen schematisch einen Lichtstrahl und ein optisches System zwischen einem drehbaren Polygonalspiegel und der Abtastfläche oder -ebene bei der optischen Strahlabtastvorrichtung gemäß der Erfindung. Fig. 1b ist dabei eine im Schnitt gehaltene Aufsicht, während Fig. 1a eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht im Abtastzentrum und Fig. 1c eine entsprechende Seitenansicht am einen Ende der Abtastbewegung sind. Gemäß den Fig. 1a bis 1c weist ein drehbarer Polygonalspiegel 11 Reflexions- bzw. Spiegelflächen auf, auf die von einer nicht dargestellten Strahlformeinrichtung ein flacher Lichtstrahl geworfen wird, der eine große Breite in Abtastrichtung besitzt und parallel zur Richtung der optischen Achse verläuft. Eine Sammellinse 12 (d. h. eine f · R-Linse) nimmt den vom Polygonalspiegel 11 reflektierten Lichtstrahl ab, während eine flexible bzw. biegsame, konvexe Zylinderlinse 13 in der Nähe der Abtastfläche SP (normalerweise plan bzw. nahezu plan in bezug auf die Abtastzeilen) angeordnet ist. Die konvexe Zylinderlinse 13 ist in einer Richtung (d. h. y-Richtung) senkrecht zur Abtastrichtung (d. h. x-Richtung) mit einer Biegekraft beaufschlagt. Die Zylinderlinse 13 ist mittels eines Spannelements 100 in der Weise durchgebogen, daß sich ihre beiden Enden (von denen in Fig. 1b nur das eine Ende 13a sichtbar ist) der Abtastfläche SP nähern.

In Fig. 2 ist als Beispiel für das Spannelement ein Führungs- bzw. Leitelement 100 dargestellt. Gemäß Fig. 2 sind ein Grundelement 101, ein Halte- bzw. Gegenelement 102 und zwei aus einem elastischen Werkstoff, wie Polyurethan oder Gummi bzw. Kautschuk, hergestellte Stäbe 103 vorgesehen. Ersichtlicherweise können diese elastischen Stäbe 103 einstückig ausgebildet oder lagenweise aufgebaut sein. Die Zylinderlinse 13 wird mit ihrer einen Fläche in Anlage gegen das Grundelement 101 gebracht und an ihrer anderen Fläche im oberen und unteren Bereich durch die elastischen Stäbe 103 an das Gegenelement 102 angedrückt, so daß die Zylinderlinse 13 eine auf vorbestimmte Weise gekrümmte Form erhält. Diese Krümmung wird durch die jeweiligen Formen von bogenförmig gekrümmten Flächen 101b und 102b der beiden Elemente 101 bzw. 102 bestimmt. Durch entsprechende Ausbildung dieser gekrümmten Flächen kann eine beliebige Krümmung der Zylinderlinse 13 erreicht werden. In den Elementen 101 und 102 sind Lichtdurchtritts-Fenster 101a bzw. 102a ausgebildet, über welche der Lichtstrahl durch die Zylinderlinse hindurchtreten kann. Die beiden Leitelementteile sind außerdem mittels nicht dargestellter Schrauben, Verklebungen o. dgl. miteinander verbunden.

Wahlweise kann das Leitelement 100 den in Fig. 3 dargestellten Aufbau besitzen. Bei dieser Ausführungsform sind zahlreiche Schrauben 101c und 102c in die Abschnitte der Leitelementteile 101 bzw. 102 eingeschraubt, die mit der Zylinderlinse 13 in Berührung gebracht werden sollen. Die Köpfe dieser Schrauben 101c und 102c bestimmen dabei die Krümmungsform der Zylinderlinse 13 auf die in Fig. 4 gezeigte Weise (bei 101d und 102d sind dabei Kontermuttern angedeutet). Bei dieser Ausführungsform des Leitelements kann mittels einer entsprechenden Einschraubstellung der einzelnen Schrauben 101c und 102c der Zylinderlinse 13 eine beliebige Krümmung erteilt werden.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die Reflexionsfläche(n) des drehbaren Polygonalspiegels 11 und die Abtastfläche SP in optischer Hinsicht geometrisch so aufeinander abgestimmt, daß der Lichtstrahl nach dem Durchtritt durch die Sammellinse 12 auf die Abtastfläche SP fällt, während er in x-Richtung konvergiert wird, während der nach dem Durchtritt durch die Sammellinse 12 in y-Richtung zunächst etwas und dann nach dem Durchtritt durch die Zylinderlinse 13 stark konvergiert wird.

Die effektive Brennweite der Zylinderlinse 13 wird hierbei aufgrund des schrägen Einfalls des Lichtstrahls verkürzt. Wenn daher die verwendete Zylinderlinse 13 in Abtastrichtung (d. h. x-Richtung) gerade wäre, würde sich der Brennpunkt des Lichtstrahls nach dem Durchtritt durch die Zylinderlinse 13 zu einer vorderhalb der Abtastfläche SP bzw. näher zur Zylinderlinse 13 hin liegenden Stelle verschieben, wenn sich der Lichtstrahl von der Mitte der Abtastzeile entfernt. Erfindungsgemäß wird jedoch die biegsame Zylinderlinse 13 in dem vorher erwähnten gekrümmten Zustand verwendet, so daß der Lichtstrahl- Brennpunkt sich stets an der Abtastfläche SP bzw. auf dieser Fläche befindet. Diese Gegebenheiten sind nachstehend mittels Formeln bzw. Gleichungen noch näher erläutert.

Wenn die Zylinderlinse 13 beispielsweise flach und konvex ist, wobei der Krümmungsradiums ihrer Brechungsfläche mit R, die Brennweite mit f und die Brechzahl mit n vorausgesetzt sind, ergibt sich zwischen diesen Parametern die folgende Beziehung:

F = R/(n - 1) (1)

Weiterhin seien ein Einfallswinkel mit Φ und ein Brechungswinkel mit Φ′ vorausgesetzt; wenn in diesem Fall der Lichtstrahl vom Mittelpunkt der Abtastzeile entfernt ist und somit schräg auf die Zylinderlinse 13 auftrifft, ergibt sich nach dem Brechungsgesetz die folgende Beziehung zwischen den genannten Parametern:

sin Φ = n sin Φ′ (2)

Weiterhin sei angenommen, daß die effektive Brennweite gleich f′ und der Krümmungsradius am kleinsten bzw. kürzesten Teil der optischen Achse R′ sind. Wenn dabei der Lichtstrahl schräg auf die Zylinderlinse 13 auftrifft, ergeben sich die folgenden Beziehungen:

R′ = R²/(R/cos Φ′) = R cos Φ′ (3)

f′ = R′/(n - 1) (4)

Nach obigen Gleichungen (1) bis (4) ergibt sich somit das Verhältnis f/f′ zu:

Anhand der Beziehung

ergibt sich somit f<f′, so daß sich die Brennweite, wie erwähnt, verkürzt, wenn der Lichtstrahl schräg auf die Zylinderlinse 13 auftrifft. Erfindungsgemäß wird daher die Krümmung der Zylinderlinse 13 so gewählt, daß die Größe (sowie die Form) der Lichtstrahlpunkte auf der Abtastfläche SP durch Konvergenz des Lichtstrahls durch die Zylinderlinse 13 in y-Richtung gleichmäßig wird. Insbesondere ist die beschriebene Ausführungsform so ausgeführt, daß der Strahlbrennpunkt nahe an der Abstastfläche SP (einschließlich dieser Fläche selbst) liegt und die Reflexionsfläche 1a des drehbaren Polygonalspiegels 1 und die Abtastfläche SP eine abgestimmte Beziehung zueinander besitzen.

Durch die entsprechende Einstellung der Relativstellungen oder -lagen des drehbaren Polygonalspiegels 11, der Sammellinse 12, der Zylinderlinse 13 und der Abtastfläche SP, der Brennweiten der genannten Linsen, des Durchmessers des in dieses optische System eintretenden Lichtstrahls, des Krümmungsradius seiner Wellenfront und andere Parameter wird es somit möglich, einen gewünschten Lichtfleck zu erzeugen und dessen Form (einschließlich nicht nur einer echten Kreisform, sondern auch einer Ellipsenform) über die gesamte Abtastbreite hinweg zu vergleichmäßigen.

Versuchsweise wurde die Aufzeichnung von Zeichen unter solchen Bedingungen durchgeführt, bei denen die Hauptabtasteinrichtung aus einem optischen System mit der Zylinderlinse 13 einer Brennweite von 50 mm besteht, die Sammellinse (f · R-Linse) 12 eine Brennweite von 350 mm besitzt und die Abtastlänge 280 mm beträgt, wobei eine mit einem Krümmungsradius von etwa 2100 mm bogenförmig gekrümmte zylindrische Linse 13 verwendet wird und photographisches Papier auf einem sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegenden Träger angeordnet ist. Hierbei wurde über die gesamte Abtast- bzw. Aufzeichnungsbreite hinweg eine nahezu vollkommene Aufzeichnung erzielt. Bei einem unter Verwendung eines bisherigen optischen Systems durchgeführten Versuch wurde andererseits eine einwandfreie Aufzeichnung nur im Mittelbereich der Abtastzeile erzielt, während an den beiden Endabschnitten der Abtastzeile Fehler, wie Verdickung von Linien und Unvollständigkeit der Zeichen, auftraten.

Wenn eine Gleichförmigkeit des Lichtpunktdurchmessers als wesentliches Erfordernis angestebt wird, kann diesem Erfordernis erfindungsgemäß dadurch entsprochen werden, daß die Zylinderlinse 13 in eine von der bogenförmig gekrümmten Form abweichende optimale Form gebogen wird. Insbesondere dann, wenn die zu erzielende Wölbungsform nicht einem Kreisbogen mit vorgegebener Krümmung entspricht, ist es nahezu unmöglich, eine solche Zylinderlinse nach dem normalen Glaspolierverfahren herzustellen. Mit der erfindungsgemäß verwendeten biegsamen Zylinderlinse kann dagegen jede gewünschte Krümmungsform ohne Schwierigkeiten gewährleistet werden.

Die in Fig. 1 nicht dargestellte Strahlformeinrichtung kann gemäß den Fig. 5, 6a und 6b beispielsweise aus einer Strahlerweiterungseinheit 15 in Form von sphärischen Linsen, die den Laserstrahl von einer Laserquelle 14 abnehmen, einer Zylinderlinse 16 großer Brennweite und einer Zylinderlinse 17 kurzer Brennweite bestehen, durch welche der Laserstrahl nach der Strahlerweiterungseinheit 15 hindurchtritt. Wahlweise kann die Strahlformeinrichtung auch gemäß den Fig. 7a und 7b eine einzige Zylinderlinse 19, welche den von der Laserquelle 14 emittierten Laserstrahl über einen Modulator 18 abnimmt, und eine Strahlerweiterungseinheit 20 aus sphärischen Linsen aufweisen, durch welche der Laserstrahl nach dem Durchtritt durch die Zylinderlinse 19 hindurchfällt. Die Strahlformeinrichtung muß vorgesehen sein, um einen Lichtstrahl mit den gewünschten Parametern bzw. Eigenschaften zu erhalten, ohne den Strahlengang des optischen Systems vor dem drehbaren Polygonalspiegel zu verlängern, unter den Bedingungen, daß der auf den Polygonalspiegel 11 auftreffende Lichtstrahl einen sehr großen Krümmungsradius der Wellenfront in y-Richtung besitzt, während seine Breite oder Weite klein ist. Bei der vorstehend beschriebenen Erfindung sind somit die Reflexionsfläche des drehbaren Polygonalspiegels und die Abtastfläche in optischer Hinsicht in y-Richtung aufgrund der Verwendung des optischen Systems aus der Sammellinse und der Zylinderlinse einander geometrisch im wesentlichen so angepaßt, daß eine Änderung des Teilungsabstands der Abtastzeilen aufgrund eines Neigungswinkelfehlers des Polygonalspiegels verhindert wird. Die Zylinderlinse ist dabei in der Nähe der Abtastfläche mit einer bogenförmig gekrümmten Form angeordnet, so daß die Lichtpunktgröße über die gesamte Abtastfläche hinweg gleichmäßig ist. Im Vergleich zum Stand der Technik wird daher die Korrekturwirkung für den Neigungswinkel verbessert, so daß nahezu vollkommen gleichmäßige Lichtpunkte über die gesamte Abtastfläche hinweg gewährleistet werden. Mit der erfindungsgemäßen Strahlabtastvorrichtung kann daher eine Abtast-Lese- oder -Aufzeichnungsvorrichtung realisiert werden, die ohne die Notwendigkeit für torische Linsen oder andere aufwendige Bauteile bei niedrigeren Fertigungskosten eine überlegene Leistung gewährleistet.

Claims (8)

1. Optische Strahlabtastvorrichtung, bei der ein von einer Lichtquelle stammender Lichtstrahl durch einen drehbaren Polygonalspiegel reflektiert und dann über eine Sammellinse auf eine Abtastfläche geworfen wird, um diese mit ihm abzutasten, wobei zwischen Lichtquelle und Polygonalspiegel eine Strahlformeinrichtung zur Erzeugung eines flachen Lichtstrahls vorgesehen ist, der eine große Breite in Abtastrichtung besitzt und im wesentlichen parallel zur Richtung der optischen Achse verläuft, und wobei zwischen Sammellinse und Abtastfläche in der Nähe der letzteren eine Zylinderlinse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (13) eine derartig bogenförmig gekrümmte Form aufweist, daß sich ihre Längsenden an die Abtastfläche (SP) annähern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (13) flexibel ist und von einem Spannungselement (100) gebogen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel- bzw. Reflexionsfläche des drehbaren Polygonalspiegels (11) und die Abtastfläche (SP) so angeordnet sind, daß sie in optischer Hinsicht eine aufeinander abgestimmte geometrische Beziehung zueinander besitzen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl so konvergierbar ist, daß eine Strahleinschnürung nahe der Abtastfläche (SP) erzeugbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformeinrichtung
eine aus sphärischen Linsen bestehende Strahlerweiterungseinheit (15),
eine Zylinderlinse (16) großer Brennweite und
eine Zylinderlinse (17) kurzer Brennweite, durch welche der Lichtstrahl nach dem Durchgang durch die Strahlerweiterungseinheit hindurchfällt, aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformeinrichtung eine einzige Zylinderlinse (19) und eine Strahlerweiterungseinheit (20) aus zylindrischen Linsen, auf welche der Lichtstrahl nach dem Durchgang durch die Zylinderlinse fällt, aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitelement (101, 102) als Spannelement (100) vorgesehen ist.