DE3340726C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtabtastvorrichtung mit einer Laserstrahlenquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bisher wird mit Lichtabtastvorrichtungen wie Laserdruckern, Laserlesegeräten u. dgl. eine Abtastoptik mit einem umlaufenden Polygonalspiegel gemäß Fig. 1 verwendet. Der Polygonalspiegel 1 läuft in Richtung eines Pfeils A um und tastet auf einen Schirm 3 auftreffendes Laserlicht 4 ab. Eine Linse 2 dient zur Kontraktion des Laserlichts zu einem winzigen Lichtpunkt.

Der umlaufende Polygonalspielgel 1 besteht aus einer Mehrzahl von verspiegelten Reflektoren 1-1, aber die Verspiegelungspräzision und die Richtungsgenauigkeit jeder Spiegelfläche relativ zu einer Rotationsachse müssen derart hoch sein, daß die Vorrichtung notwendigerweise sehr teuer ist.

Ferner ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Hologramm auf einer umlaufenden Scheibe angeordnet ist ("Holographic Grating Scanners With Aberration Corrections" von W. H. Lee, Applied Optics, Bd. 16, Nr. 5, S. 1,392 (1977)). Das eine rauhe Oberfläche aufweisende Hologramm ist hinsichtlich eines Beugungs-Wirkungsgrads von 30% oder darunter etwas problematisch, und ein räumliches Hologramm hat zwar einen hohen Beugungs-Wirkungsgrad, aber die für die Struktur des Hologramms verwendete Dichromatgelatine ist nicht ausreichend feuchtebeständig, was für die Handhabung unannehmbar ist.

In der US-PS 36 19 033 ist eine elektromechanische Vorrichtung beschrieben bei der das Abtastlicht durch die einfache Drehung eines einzelnen Bauteils entweder zwei- oder dreidimensional projiziert werden kann. Die Vorrichtung weist eine drehbare Scheibe auf, auf der mehrere Linsen angebracht sind, die auf einer Seite eine flache Oberfläche zur Befestigung mit Klebstoff oder ähnlichen Mitteln haben. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung befaßt sich die genannte Literaturstelle nicht mit dem Problem der Verringerung der Breite eines Lichtstrahls durch die Drehung der Scheibe.

In der DE-OS 25 16 614 ist die Verbesserung der Abbildungseigenschaften eines Objektives für eine Einfachkamera durch die asphärische Gestaltung der Brechungsoberfläche eines Linsenelements angegeben.

Die US-PS 42 45 892 und die JP-OS 57-76 512 behandeln ebenfalls die asphärische Oberfläche eines optischen Systems zur Korrektur unterschiedlicher Arten der Aberration. Aber auch diese letztgenannten Literaturstellen geben keinen Hinweis wie bei einer Abtastung einer Fläche mit einem Laserpunktstrahl die Verbreitung des auftreffenden Lichtstrahls infolge der Drehung der umlaufenden Scheibe wesentlich verringert werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Lichtabtastvorrichtung zu schaffen, mit der ein Laserstrahl auf einer Abtastebene mit einer vorbestimmten Breite zu einem sehr kleinen Lichtpunkt fokussiert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Verwendung einer Kunststofflinse, die auf einer Form durch Kopieren massengefertigt werden kann, bietet die Möglichkeit, die Lichtabtastvorrichtung mit hohem optischem Wirkungsgrad und kostengünstig herzustellen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer konventionellen Lichtabtastvorrichtung;

Fig. 2 die Verschiebung eines Bildpunkts auf einem Bildschirm, wenn ein einfallender Laserstrahl relativ zur optischen Achse versetzt ist;

Fig. 3 eine Lichtabtast-Charakteristik, wenn Laserlicht auf eine Linse auf einer umlaufenden Scheibe auftrifft;

Fig. 4 und 5 spiralförmig auf einer umlaufenden Scheibe angeordnete Linsen bzw. ein zweidimensionales Lichtabtastmuster, das durch Bestrahlen der Scheibe mit Laserlicht erhalten wird;

Fig. 6 und 7 die Bestimmung der Krümmung einer Linse, die in einer Lichtabtastvorrichtung verwendet wird;

Fig. 8 einen Aberrationskoeffizienten bei Änderung der Oberflächenkrümmung einer dünnen Linse;

Fig. 9 eine asphärische Oberflächenkrümmung einer Linse;

Fig. 10 die Streuung eines Lichtpunkts gegenüber einem Bildschirmabtastpunkt, wenn die Linsenkrümmung bestimmt wird;

Fig. 11 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 die Korrektur einer Abtastzeilenkrümmung der auf einer umlaufenden Scheibe angeordneten Linse;

Fig. 13 eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14 und 15 die Bestimmung der Krümmung einer Linse, die mit einer Lichtabtastvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 16 bis 19 die Streuuung eines Lichtflecks gegenüber einem Bildschirmabtastpunkt bei einer weiteren Ausführungsform.

Es soll zuerst das hier angewandte Grundprinzip erläutert werden.

Fig. 2 zeigt eine grundlegende Beziehung, bei der ein Laserstrahl 4 mit einem Konvergenzpunkt bei C auf eine auf einer umlaufenden Scheibe angeordnete Linse fällt. Es sei angenommen, daß die Mitte einer Linse 5 mit D bezeichnet wird und daß die Linse 5 in y-Richtung um y₀ relativ zu einer optischen Achse des einfallenden Laserlichts verschoben wird. Dann ist ein Bilderzeugungspunkt des aus der Linse 5 auf einen Schirm 7 austretenden Laserlichts 6 ungefähr:

y₁ = m y₀.

Die Brennweite der Linse 5 ist mit f und der Abstand zwischen der Linse 5 und dem Schirm mit mf bezeichnet. Infolgedessen ist auf dem Schirm 7 eine Lichtabtastung, deren Breite umd das mfache größer als eine Parallelverschiebung der Linse 5 ist, zu erhalten. Das heißt, es kann eine Lichtabtastvorrichtung realisiert werden, die, ausgehend von einer kleinen Linsen-Parallelverschiebung y₀, einen weiten Bereich abtasten kann. Zur Parallelverschiebung der Linse wird die Scheibe mit der darauf angeordneten Linse gedreht. Die Linse ist auf der Scheibe entweder auf dem gleichen Umfang oder spiralförmig angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine Lichtabtast-Charakteristik, wenn das Laserlicht 4 auf die auf der Scheibe 8 befindliche Linse 5 fällt.

Es sei angenommen, daß sich die Linse 5 unter einem Winkel R um die Mitte 0 _d der Scheibe dreht. Dann verschiebt sich die Mitte der Linse 5 von 0′ nach 0. Das Laserlicht trifft auf und weicht in diesem Fall vom Punkt 0 um den Betrag e ab.

Abtastpunkte (Y _i , Z _i ) auf einer Bildebene 7 können durch die folgenden Gleichungen erhalten werden:

Y _i = mR sin R (1)

Z _i = (1 - m)e - mR(1 - cos R) (2)

wobei R der Abstand vom Rotationsmittelpunkt 0 _d der Scheibe zum Linsenmittelpunkt ist.

Wie aus der Gleichung (2) hervorgeht, ist Z _i eine Funktion von R, und somit ist die Abtastzeile nicht linear, sondern gekrümmt entsprechend Fig. 3.

Wenn mehrere Linsen einer Charakteristik auf der umlaufenden Scheibe auf demselben Umfang angeordnet sind, wird e für sämtliche Linsen in Gleichung (2) kontant, und daher sind die Lichtabtastzeilen jeder Linse zwar gekrümmt, gelangen aber auf denselben Punkt.

Um eine nahezu lineare Lichtabtastzeile zu erzeugen, sollte zwischen der Scheibe und der Bildebene eine Zylinderlinse angeordnet werden. Die so erhaltene Charakteristik wird später noch erläutert.

Fig. 4 zeigt den Fall, in dem die Linsen wendelförmig auf der Scheibe angeordnet sind. Mittelpunkt O₁, O₂, . . . der Linsen 5₁, 5₂ . . . liegen auf einer wendelförmigen Kurve, wobei sich der Abstand R vom Rotationsmittelpunkt O der Scheibe kontinuierlich ändert. Fig. 5 zeigt ein zweidimensionales Lichtabtastmuster 9, das durch Bestrahlen der umlaufenden Scheibe von Fig. 4 mit Laserlicht erhalten wird. Abtastzeilen 9₁, 9₂, 9₃, . . . werden jeweils erzeugt, wenn die Scheibe umläuft und das Laserlicht 4 die Linsen 5₁, 5₂, 5₃ . . . sequentiell bestrahlt.

Damit die mit Linsen bestückte Lichtabtastvorrichtung zur Abtastung eines ausreichend kleinen Lichtpunkts auf der Bildebene mit einer vorbestimmten Abtastbreite fähig ist, müssen die auf der Scheibe angeordneten Linsen eine erwünschte Charakteristik aufweisen. Für jede auf der umlaufenden Scheibe befindliche Linse ist ein einfacher Aufbau erwünscht, somit wird gemäß der Erfindung eine einfache Linse verwendet. Wie jedoch noch unter Bezugnahme auf Beispiele erläutert wird, kann die Einzellinse mit sphärischer Krümmung die erwünschte Charakteristik nicht aufweisen. Infolgedessen wird gemäß der Erfindung eine asphärische Linse verwendet, wobei wenigstens eine Linsenfläche der Einzellinse in Form einer asphärischen Fläche vorliegt.

Nachstehend werden nunmehr Ausführungsbeispiele beschrieben.

Zuerst wird gemäß Fig. 6 eine in der Lichtabtastvorrichtung verwendete Linsenkrümmung bestimmt.

In Fig. 6 sei angenommen, daß ein Objektpunkt C in y-Richtung von einer optischen Achse x der Linse 5₁ um y₀ verschoben ist. In diesem Fall ist ein Halbbildwinkel durch ω gegeben. Fig. 7 zeigt eine Hauptebene H auf der Objektseite der Linse 5₁ die mit einem Lichtmuster bestrahlt wird. Dabei sind y′ und x′ Achsen, die um einen Schnittpunkt M eines Hauptstrahls 24 des die Hauptebene H der Objektseite der Linse 5₁ bestrahlenden Lichts und der Hauptebene H verlaufen.

Ein Einfallspunkt P des Laserlichts auf die Hauptebene H ist durch Polarkoordinaten R, Φ bezeichnet.

Wenn die Lichtstärke F zum Verkleinern auf einen diametralen Lichtpunkt von 200 µm mit F = 250 auf dem Schirm 7 eingestellt ist, wird ein Strahlradius R der Hauptebene H der Objektseite der Linse 5₁ durch den folgenden Ausdruck bestimmt:

Bei dem optischen System von Fig. 6 sind die seitlichen Aberrationen Δ y, Δ z des Strahls in Meridionalrichtung (y-Richtung) und in Sagittalrichtung (z-Richtung) aufgrund der Aberrationsexpansion dritter Ordnung durch die folgenden Gleichungen gegeben:

mit

I= sphärische Aberration, II= Koma-Aberration, III= astigmatische Aberration, P= Petzval-Summe, V= Verzeichungs-Aberration und α′= ein Koeffizient.

Wenn Δ y, Δ z bis zu 200 µm zulässig sind, werden Werte der zulässigen Aberrations-Koeffizienten I, II und III erhalten. (Die Verzeichungs-Aberration V wird vernachlässigt, da sie keinen Einfluß auf die Auflösung hat.) Jedoch gilt: Objektivbrennweite f = 60 mm, Abtastvergrößerung m = 10, Halbbildwinkel ω = 10° und F = 250. Dann ergibt sich der vorgenannte Koeffizient α′ mit näherungsweise 1/mf. Wenn infolgedessen f = 1, dann werden die Werte in der normalisierten Form wie folgt wiedergegeben:

|I| ≦ 41.67 (5)

|II| ≦ 1.6 (6)

|III| ≦ 0.18 (7)

Da der zulässige Grenzwert der sphärischen Aberration I groß ist, wird aus dem obigen Ergebnis angenommen, daß die Koma-Aberration II sowie die astigmatischen Aberration III den folgenden Ausdrücken genügen:

II = 0 (8)

III = 0. (9)

Fig. 8 zeigt ein Ergebnis, das durch Errechnen eines Werts des Aberrations-Koeffizienten aufgrund der Aberrationstheorie erhalten wird, wenn die Oberflächenkrümmung einer dünnen Einzellinse (oder einer virtuellen Linse, deren Dicke an mittlerer Stelle ∧ hinsichtlich der Brechzahl liegt) 9, die eine sphärische Oberfläche hat, geändert wird. In der Zeichnung ist γ₁ ein Krümmungsradius an der Linsenvorderseite, und die Brennweite der Linse ist mit 1 normalisiert.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Koma-Aberration II und die astigmatische Aberration III die Soll-Spezifikation gemäß den Gleichungen (6), (7) nicht vollständig erfüllen sollen.

Zur Lösung des vorher angesprochenen Problems wird für die Linsenkrümmung eine asphärische Fläche verwendet.

Eine asphärische Fläche ν kann durch die folgenden Ausdrücke (10) oder (11) gemäß der Definition von Fig. 9 gegeben werden:

In Fig. 6 sind jedoch, ausgehend von einem Scheitel der Linse, die Koordinaten auf der Linsenoberfläche ( _ν , _ν , _ν ). Ferner sind in der Gleichung (10) H _ν ² = _ν ² + _ν ² und A _ν , B _ν asphärische Koeffizienten, die die Abweichung von einer Referenz-Sphäre bezeichnen, und _ν ist ein Krümmungsradius der asphärischen Fläche ν.

mit

γ _ν = ein paraxialer Krümmungsradius, b _ν = ein asphärischer Koeffizient,

und es gilt die folgende Beziehung zwischen Parametern der Gleichungen (8) und (9):

Die eigentlichen Koeffizienten U₀, B₀ und P₀ der dünnen Einzellinse können wie folgt geschrieben werden:

mit

N= Brechzahl des die Linse bildenden Werkstoffs undγ₁= ein paraxialer Krümmungsradius der vorderen Seitenfläche der Einzellinse.

Die Aberrations-Koeffizienten dritter Ordnung der Koma-Aberration II und der astigmatischen Aberration III des optischen Systems werden durch die vorgenannten eigentlichen Koeffizienten wie folgt ausgedrückt:

II = a _II U₀ + b _II B₀ + a _II Φ = 0 (17)

III = a _III U₀ + b _III B₀ + C _III + a _III Φ = 0 (18)

wobei a _II, b _II, C _II, a _III, b _III, C _III Konstanten sind und Φ ein eine sphärische Fläche bezeichnender Parameter ist, der durch die folgende Gleichung gegeben ist:

wobei N _ν ′ und N _ν Brechzahlen von Medien der Rück- bzw. der Vorderseite der dünnen Einzellinse sind.

Die Anzahl einzuführender asphärischer Flächen kann mit eins oder zwei gegeben sein, und die unabhängige Veränderliche ist ψ, die durch die obige Gleichung (19) gegeben ist. Dann ist der vorgenannte eigentliche Koeffizient U₀ von B₀ abhängig. Bei Eliminierung von γ₁ aus den Gleichungen (14) und (16) erhält man:

Infolgedessen sind die unabhängigen Veränderlichen zur Bestimmung der Koma-Aberration II und der astigmatischen Aberration III ψ und B₀. Wenn nun Zielwerte der Koma-Aberration II und der astigmatischen Aberration III II₀ bzw. III₀ sind, kann eine Krümmung der asphärischen Linse wie folgt errechnet werden:

Wenn in den vorstehenden Gleichungen II₀=0 und III₀=0, erhält man aus der Brechung einer Lösung mit einer Brechzahl N von 1,4 ≦ N ≦ 1,9 und einer Abtastvergrößerung m von 2 ≦ m ≦ 30 das folgende Resultat; dabei ist jedoch die Brennweite der Linse mit 1 gegeben.

Spezifikationen der Linsen 5₁, 5₂ . . . der vorgenannten Vorrichtung sind gemäß dem vorstehenden Resultat folgende:

Brennweite f= 60 mm Abtastvergrößerung= 10 Laserwellenlänge λ= 0,633 µm (Heliumneonlaser) Lichtstärke F= 250 Werkstoff= Acrylharz (Brechzahl N=1,4885) Krümmungsradius
   ₁= 54,2564    ₂= -37,9419 asphärischer Koeff.
  A₁= 0   A₂= 0.45833 × 10^-2   B₁= 0   B₂= 0.48729 × 10^-5 Linsendicke d= 14,4492 mm.

Bei Normalisierung mit f=1 sind und ψ wie folgt:

Fig. 10 zeigt Charakteristika der vorgenannten Linsen 5₁, 5₂ . . . Dabei bezeichnet Δ y _i eine Punktstreuung in y-Richtung, Δ z _i bezeichnet eine Punktstreuung in z-Richtung, und es kann eine Abtastung bis zu 300 mm max. auf der Abtastebene in wirksamer Weise erfolgen, wenn die Punktstreuung, wie erwähnt, bis zu 200 µm zulässig ist.

Fig. 11 zeigt eine Laser-Lesevorrichtung, die die Lichtabtastvorrichtung mit Linsen gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet.

Dabei sind vorgesehen eine Laserlichtquelle 10, eine Linse 11, ein Reflektor 12, eine Scheibe 8, die asphärischen Linsen 5₁, 5₂, . . . (nachstehend kurz: Linsen 5₁, 5₂, . . .) trägt, ein Motor 13, der die Scheibe 8 in der durch einen Pfeil B bezeichneten Richtung dreht, eine Abtastebene 14, ein optisches Element 15, das Streulicht 19 von der Abtastebene 14 sammelt, und ein Lichtdetektor 16.

Auf der Abtastebene sind ein zu lesender Strichcode 20 und weitere Zeichen angeordnet. Der Strichcode ist von unterschiedlicher Stärke und befindet sich auf der Außenseite einer Packung, wobei z. B. ein Produktname und ein Herstellungsdatum in ihm enthalten sind.

Es erfolgt eine zweidimensionale scharfe Abtastung der Abtastebene 14 durch Drehungen der Scheibe, daher darf eine geringfügige Verschiebung der Strichcode-Anordnung keinen Einfluß auf den Laser-Lesevorgang ausüben.

Die hier eingesetzten Linsen 5₁, 5₂, . . . wurden gemäß dem obigen Beispiel konstruiert. Dann wurden die Linsen 5₁, 5₂ wendelförmig auf der Scheibe gemäß den Fig. 4 und 5 angeordnet.

Von der Laserlichtquelle 10 ausgehendes Laserlicht entwickelt sich durch die Linse 11 zu einem divergenten Lichtstrahl und trifft dann auf Linsen 5₁, 5₂, . . . auf der Scheibe 8 durch den Reflektor 12 auf. Die Linsen 5₁, 5₂, . . . sind wendelförmig auf der Scheibe 8 angeordnet, somit wird ein zweidimensionales Lichtabtastmuster entsprechend 9 in Fig. 5 erhalten; Reflektoren M₁, M₂ gemäß Fig. 11 halbieren jedoch dieses zweidimensionale Lichtabtastmuster. Dabei wird eine Hälfte des der zweidimensionalen Lichtabtastung unterworfenen Laserlichts vom Reflektor M₁ gemäß 17 als Abtastmuster 14₁ reflektiert, und die andere Hälfte wird vom Reflektor M₂ gemäß 18 als Abtastmuster 14₂ reflektiert. Infolgedessen wird ein scharfes zweidimensionales Abtastmuster auf der Bildebene 14 von Fig. 11 erhalten.

Es ist bei der Vorrichtung sehr wesentlich, daß die Linsen 5₁, 5₂, . . . eine asphärische Fläche aufweisen, somit kann jeder Abtastlaserstrahl einen Mikrolichtpunkt mit geringerer Streuung bilden. So wird das Streulicht 19 des auf der Abtastebene 14 befindlichen Strichcodes 20 durch das optische Element 15 am Lichtdetektor 16 gesammelt und wird daher mit hoher Präzision erfaßt.

Anschließend wird eine Lichtabtastvorrichtung erläutert, die Linsen gemäß der Erfindung verwendet, die auf einer Abtastebene eine lineare Lichtabtastzeile erzeugt.

Gemäß Fig. 3 ist die Abtastzeile von auf einer umlaufenden Scheibe angeordneten Linsen gekrümmt. Um die Krümmung zu korrigieren und damit eine nahezu gerade Abtastzeile zu erhalten, ist gemäß Fig. 12 zwischen der Scheibe 8 und der Bildebene 25 eine Zylinderlinse 21 mit einer konvexen Fläche angeordnet. Der Abstand zwischen der Zylinderlinse und der Bildebene ist nahe der Brennweite der Zylinderlinse eingestellt. Es sei angenommen, daß die Linse 5₁ unter einem Winkel R um die Scheibenmitte Q rotiert. Das Zentrum der Linse 5₁ verschiebt sich dann von E nach D. Das auftreffende Laserlicht 20 ist auf einen von E versetzten Punkt Y₀ eingestellt.

Wenn die Scheibe 8 in Richtung des Pfeils B rotiert, sollte die Lichtabtastzeile entsprechend einer Strichlinie 22 A gekrümmt sein, wenn die Zylinderlinse 21 nicht vorgesehen ist; die Position der Lichtabtastzeile ist jedoch im wesentlichen korrigiert, wie durch eine Vollinie 22 gezeigt ist. Die Lichtabtastzeile wird durch die Zylinderlinse mit konvexer Mantelfläche gerade gemacht, weil selbst ein Lichtstrahl, der abweichend von einer Achse der Zylinderlinse auftrifft, nahe einer Brennlinie der Zylinderlinse kondensierbar ist aufgrund der Eigenschaften der Zylinderlinse.

Der Wert für Y₀ und der Abstand zwischen der Zylinderlinse 21 und dem Schirm 25 wird so eingestellt, daß die Krümmung der Abtastzeile minimiert wird; die als Vollinie 22 dargestellte Lichtabtastzeile ist jedoch nicht vollständig linear, was eine sehr kleine Abweichung, die jedoch Δ _maximum beträgt, bedeutet.

Fig. 13 zeigt eine Lichtabtastvorrichtung mit Linsen, die eine lineare Lichtabtastung ermöglichen. Im Unterschied zu Fig. 11 ist eine Zylinderlinse zwischen der Lichtabtastvorrichtung und der Abtastebene angeordnet, so daß eine lineare Abtastung erhalten wird. Im Strahlgang des von der Laserlichtquelle 10 ausgehenden Laserlichts sind Zylinderlinsen 26 A, 27 B angeordnet, und zwischen den Linsen 5₁, 5₂, . . ., die auf demselben Umfang der Scheibe 8 angeordnet sind, und der Abtastebene 25 ist eine Zylinderlinse 21 an einer Stelle vorgesehen, an der die Brennachse der Linse nahezu rechtwinklig winklig zu der Abtastzeile verläuft.

Das von der Laserlichtquelle 10 ausgehende Laserlicht durchsetzt die Linse 11 und die Zylinderlinsen 26 A, 27 B und trifft auf die Linsen 5₁, 5₂, . . . auf der Scheibe 8 auf. Der die Linse 11 divergierend durchsetzende Laserstrahl wird von den beiden Zylinderlinsen 26 A, 27 B, deren Brennachsen nahezu parallel zueinander angeordnet sind, nur hinsichtlich Divergenz in Richtung der Abtastzeile geändert, wird infolgedessen parallel und trifft auf die Linse 5 als ein Strahl auf, der nur vertikal gemäß Fig. 8 divergiert. Das aus den Linsen 5₁, 5₂, . . . austretende Licht wird von der Zylinderlinse 21 in Vertikalrichtung kondensiert und entwickelt sich zu einem Mikrolichtpunkt unter Bildung einer nahezu linearen Lichtabtastzeile 22 auf der Abtastebene 25.

Krümmungen der Linsen 5₁, 5₂, . . ., die bei dieser Vorrichtung eingesetzt werden, werden im einzelnen wie folgt erläutert:
Die Optik gemäß Fig. 13 wird durch Auseinanderziehen von der Meridionalebene und der Sagittalebene gemäß Fig. 14 betrachtet. Ein Lichtmuster, das eine Hauptebene H₁ auf der Objektseite der Linse 5′ bestrahlt, ist in Fig. 15 gezeigt. Dabei bezeichnet y′ eine Meridionalrichtung, z′ eine Sagittalrichtung, und ein Schnittpunkt M′ des Hauptstrahls und der Hauptebene H₁ der Objektseite bildet das Original. H _1′ bezeichnet eine bildseitige Hauptebene der Linse 5 _1′. Eine Strahlbreite 2H _y in y′-Richtung ist auf den Schirm 25 mit einer Lichtstärke F=125 verkleinert. Andererseits kann eine Strahlbreite 2H _z in z′-Richtung nicht präzise auf der Linse 5 _1′ verkleinert werden infolge von Beugungseinflüssen und ist damit so eingestellt, daß der aus der Linse 5 _1′ austretende Strahl im wesentlichen parallel wird.

Ein Divergenzpunkt O _F des Laserlichts in Fig. 14(b) wird durch die Linse 11 der Optik von Fig. 13 realisiert. O _S in Fig. 14(a) erfolgt durch die Linse 11 und die Zylinderlinsen 26 A, 27 B von Fig. 13. Ein Parameter S in Fig. 14 ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:

Wenn die Brennweite der Linse 5₁ mit f und der Abstand zwischen der Linse 5₁ und dem Schirm 25 mit mf angenommen wird, können H _y und H _z wie folgt geschrieben werden:

Wenn hier seitliche Aberrationen Δ y, Δ z (Gleichungen (1) und (2)) von Lichtstrahlen in Meridionalrichtung (y-Richtung) und Sagittalrichtung (z-Richtung) um den vorgenannten Aberrations-Expansionskoeffizienten dritter Ordnung bis zu 100 µm (±50µm) zugelassen werden können, werden Werte für jeden Aberrations-Koeffizienten erhalten. Dabei gilt, daß die Linsenbrennweite f=65 mm, die Abtastvergrößerung m=10, der Halbwinkel ω=10°, F=125; das Resultat wird in normalisierter Form mit f=1 erhalten.

|I| ≦ 2.4 (27)

|II| ≦ 0.18 (28)

|3III+P| ≦ 0.124 (29)

|III+P| ≦ 1.24 (30)

Dann wird die Verzeichnungs-Aberration V wie vorher vernachlässigt. Da für die sphärische Aberration I und die astigmatische Aberration III eine große Toleranz besteht, ergibt sich aus dem obigen Resultat, daß die Koma-Aberration II und 3III+P-Aberration den folgenden Ausdrücken genügen:

Die Linse ist wie im vorhergehenden Fall eine asphärische Einzellinse. Wenn eine Lösung errechnet wird mit II₀=0, III₀=- , einer Brechzahl N 1,4 ≦ N ≦ 1,9 und einer Abtastvergrößerung von m=5 ≦ m ≦ 30, wird in den Gleichungen (21) bis (23) das folgende Ergebnis erhalten. Dabei wird angenommen, daß die Linsenbrennweite 1 ist.

Die Spezifikationen der Linsen 5₁, 5₂ gemäß dem Ergebnis sind folgende:

Brennweite f= 65 mm Abtastvergrößerung m= 10 Laserwellenlänge λ= 0,633 µm (Heliumneonlaser) Lichtstärke F= 125 Werkstoff= Glas (BK 7, Brechzahl N=1,5152) Krümmungsradius
   ₁= 62,2343    ₂= -47,9658 asphärischer Koeff.
  A₁= 0   A₂= 0.30825 × 10^-2   B₁= 0   B₂= 0.26808 × 10^-5 Linsendicke d₁= 11,0955 mm

Für die Zylinderlinse 21 gilt:

Brennweite f₀= 65 mm Werkstoff= Glas (BK 7, Brechzahl N=1,5152) Linsendicke d₀= 6,5 mm.

Eine Charakteristik der Lichtabtastvorrichtung, die diese Linsen und die Zylinderlinse verwendet, ist in den Fig. 16 und 17 dargestellt.

Wenn der Werkstoff Acrylharz (Brechzahl N=1,4885) ist, sind die Spezifikationen der Linsen 5₁, 5₂ wie folgt (dabei werden nur die von den obigen Spezifikationen abweichenden Werte genannt):

Krümmungsradius
   ₁= 59,2522    ₂= -48,8494 asphärischer Koeff.
  A₁= 0   A₂= 0.24669 × 10^-2   B₁= 0   B₂= 0.27914 × 10^-5 Linsendicke d₁= 10,699 mm

Eine Charakteristik der Lichtabtastvorrichtung, die diese Linsen verwendet, ist in den Fig. 18 und 19 dargestellt.

Wie die Fig. 16 und 17 zeigen, kann bei einer zulässigen Punktstreuung von bis zu 100 µm eine Abtastung bis zu 300 mm maximal auf dem Schirm stattfinden.

Die in jeder Ausführungsform verwendete asphärische Linse ist ebenso wie die sie tragende Scheibe Kunststoff, daher kann sie ohne weiteres in großen Mengen kopiert und kostengünstig hergestellt werden.

Claims (10)

1. Lichtabtastvorrichtung mit

• - einer Laserstrahlquelle,
• - einer Abtastebene und
• - einer umlaufenden Scheibe mit mehreren Linsen, bei der ein Strahl der Laserstrahlenquelle auf einen festgelegten Bereich von mindestens einer der Linsen auftrifft, und wobei der durch die Linsen hindurchtretende Laserstrahl in einer vorbestimmten Richtung über die Abtastebene geführt wird durch die Drehung der Scheibe,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der Linsen (5₁, 5₂) eine asphäriche Einzellinse ist, und daß, falls die Oberfläche einer solchen Linse allgemein dargestellt ist durch die Formel wobeiν= Ordnungszahl der Linsenoberfläche (ν=1, 2),H ν= Abstand eines Linsenoberflächenpunktes von der optischen Achse, _ν = Abstand des Puntes mit H ν von der Tangentialebene der ν-ten Oberfläche im Berührungspunkt mit der optischen Achse (Fig. 9),r _ν = paraxialer Krümmungsradius der ν-ten Oberfläche,b _ν = asphärischer Koeffizient der ν-ten Oberflächec= asphärischer Parameter, angegeben durch ψ=(N-1) (b₁-b₂), undN= Brechzahl des Linsenwerkstoffes,der Krümmungsradius entsprechend den Beziehungen bemessen ist bei einer normalisierten Brennweite = 1 und daß die Abtastvergrößerung m im Bereich von 2 ≦ m ≦ 30 liegt.

2. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (5₁, 5₂) auf der umlaufenden Scheibe (8) auf einem Kreis konzentrisch mit der Drehachse der umlaufenden Scheibe (8) angeordnet sind.

3. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (5₁, 5₂) auf einer spiralförmigen Linie, die einen unterschiedlichen Abstand von der Drehachse der umlaufenden Scheibe (8) besitzt, angeordnet sind.

4. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich mehrere Spiegel (M₁, M₂) aufweist, die längs des Strahlengangs an Orten angebracht sind, die eine vorgegebene Beziehung zum Ort der umlaufenden Scheibe (8) aufweisen.

5. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Linsen (5₁, 5₂) wenigstens eine asphärische Oberfläche aufweist, die so gestaltet ist, daß der auf der Abtastebene auftreffende Laserstrahl einen Durchmesser kleiner als 200 µm besitzt.

6. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich optische Korrektureinrichtungen aufweist, die im Strahlengang zwischen der umlaufenden Scheibe (8) und der Abtastebene (25) angeordnet sind, die der Korrektur der Krümmung der auf die Abtastebene (25) projizierten Abtastlinie (22) dienen.

7. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtungen eine Zylinderlinse (21) aufweisen.

8. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung zwei Zylinderlinsen (26 A, 27 B) aufweist, die längs des Strahlengangs des Laserstrahls, der auf eine der Linsen (5₁, 5₂) der umlaufenden Scheibe (8) auftrifft, angeordnet sind.

9. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Linsen (5₁, 5₂) wenigstens eine asphärische Oberfläche aufweist, die so gestaltet ist, daß der auf der Abtastebene (25) auftreffende Laserstrahl einen Durchmesser kleiner als 100 µm aufweist.