DE3707023C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken eines Strahlenbündels in einer Ebene mittels eines um eine Achse drehbaren Umlenkprismas konstanter Ablenkung und einem dem Umlenkprisma zugeordneten Abbildungssystem, insbesondere einem F-R-Objektiv.

Derartige Vorrichtungen werden in Scanner-Systemen verwendet. In bekannten Scanner-Systemen wird ein von einer Lichtquelle ausgehendes Strahlenbündel durch ein rotierendes Umlenkelement abgelenkt und mittels eines Abbildungssystems als Lichtpunkt auf einer abzutastenden Oberfläche abgebildet. Durch die rotierenden Umlenkelemente wird das Strahlenbündel z. B. in eine Ebene abgelenkt. Die Abtastung der Oberfläche erfolgt zeilenweise.

In derartigen optischen Abtastsystemen ist es erforderlich, daß die Abtastzeilen geradlinig sind, wobei aufeinander folgende Abtastzeilen parallel zueinander angeordnet sein müssen und der Zeilenabstand konstant sein soll. In der Praxis ergeben sich stets jedoch Abweichungen von diesem idealen Bewegungsmuster des Lichtpunktes. So kann z. B. ein in ungenau gefertigten Lagern gelagertes Umlenkelement in eine Flatter- bzw. Vibrationsbewegung (Wobbeln) versetzt werden. Derartige Effekte beeinträchtigen ein genaues Arbeiten des Scanner-Systems.

Es ist aus der US-PS 44 75 787 bekannt, den störenden Einfluß des Wobbelns bei Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit Hilfe eines Penta-Prismas, das um eine Achse rotiert, die eine der senkrecht zueinander stehenden Seitenflächen durchsetzt, auszugleichen. Durch das Penta-Prisma wird eine konstante, von Verkippungen der Prismendrehachse unabhängige Ablenkung eines Strahlenbündels erzielt.

Durch die Verwendung eines Penta-Prismas ergeben sich jedoch - wie erfindungsgemäß erkannt worden ist - eine Reihe von Nachteilen:

Der Schwerpunkt eines derartigen Prismas weist nämlich einen vergleichsweise großen Abstand von der Drehachse auf. Hierdurch ergeben sich insbesondere dann, wenn ein derartiges Penta-Prisma auf kleinste Dimension ausgelegt, so daß die Eingangsschnittweite des nachfolgenden Abbildungssystems möglichst klein wird, schlechte Gleichlaufeigenschaften des in Rotation versetzten Penta-Prismas. Dies ist von besonderem Nachteil, da ein Penta-Prisma mit relativ großen Drehzahlen rotiert. Somit ergibt sich die Notwendigkeit, durch aufwendiges Auswuchten des Antriebsmotors und/oder durch relativ niedrige Drehzahlen Beschädigungen des Umlenkelementes durch hohe Zentrifugalkräfte in Grenzen zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu fertigendes Umlenkprisma der eingangs geschilderten Art mit guten Gleichlaufeigenschaften anzugeben.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Tatsache, daß der Abstand zwischen Schwerpunkt und Drehachse bei einem Viereckprisma nach Wollaston klein oder gleich Null ist, es ermöglicht, wesentlich für die Gleichlaufeigenschaften ist:

Insbesondere hat sich im Gegensatz zu der in der Literatur vertretenen Auffassung (K. Mütze, ABC der Optik) gezeigt, daß mit dem an sich bekannten Viereckprisma nach Wollaston innerhalb einer gattungsgemäßen Vorrichtung eine überraschend günstige Gestaltung des Umlenkelementes hinsichtlich des Abstandes zwischen Drehachse und Schwerpunkt des Prismas, des Prismengewichtes und des die Eingangsschnittweite des nachgeordneten Abbildungssystems bestimmenden Abstandes zwischen der Drehachse und dem von dieser am weitesten entfernten Prismenteil erreicht werden kann.

Im Vergleich zu einem auf kleinste Dimension ausgelegten Penta-Prisma besitzt ein Viereckprisma nach Wollaston ein geringeres Gewicht. Die Eingangsschnittweite des nachfolgenden Abbildungssystems gleicht maximal der für ein Penta-Prisma erforderlichen Eingangsschnittweite. Von besonderem Vorteil ist jedoch, daß das Viereckprisma nach Wollaston so positioniert werden kann, daß der mechanische Schwerpunkt des Viereckprismas dem Schwerpunkt des einfallenden, parallelen Lichtes sehr nahe kommt. Da sich das Prisma um den Schwerpunkt des einfallenden, parallelen Lichtes dreht, gibt es im Vergleich zum Penta-Prisma fast keine Umwucht mehr. Besonders bei hoher Drehzahl werden damit die Gleichlaufeigenschaften erheblich verbessert.

Ein Viereckprisma nach Wollaston besitzt zwei verspiegelte und zwei unverspiegelte Flächen. Die aneinander angrenzenden unverspiegelten Flächen schließen einen Winkel von 90° miteinander ein.

Grundsätzlich wäre eine Strahlenführung möglich, bei der ein Strahlenbündel, das parallel zur Drehachse orientiert ist, durch die erste unverspiegelte Fläche, die ja in etwa senkrecht zur Drehachse liegt, in das Viereckprisma eintritt, anschließend an der an die unverspiegelte Fläche angrenzenden verspiegelten Flächen und dann an der weiteren verspiegelten Fläche reflektiert wird, um schließlich über die zweite unverspiegelte Fläche aus dem Viereckprisma auszutreten.

Eine optimal kleine Eingangsschnittweite des Abbildungssystems läßt sich jedoch mit der im Patentanspruch 2 angegebenen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzielen.

Um auch bei einem Verkippen der Prismendrehachse eine korrekte und vollständige Umlenkung eines Strahlenbündels beibehalten zu können, wird die Eingangsfläche des Viereckprismas größer als die Strahlenbündelquerschnittsfläche gewählt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzen die beiden senkrecht zueinander orientierten Prismenflächen in der zu deren Schnittgerade senkrechten Richtung die im Patentanspruch 3 beanspruchten Breite.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 4 und 5 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels im Vergleich zum Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein herkömmliches Penta-Prisma,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Viereckprisma nach Wollaston.

In beiden Figuren sind Umlenkprismen dargestellt, die das eintretende Strahlenbündel um 90° ablenken sollen. Ferner sind in beiden Figuren weder die Abbildungssysteme noch die Halterungen und Lager der jeweiligen Prismen dargestellt. Das einem Prisma zugeordnete Abbildungssystem kann im Strahlengang vor oder nach dem Prisma angeordnet sein.

In Fig. 1 ist ein Penta-Prisma mit unverspiegelten Flächen 1, 2, verspiegelten Flächen 3, 4 und einer weiteren Fläche 5 dargestellt. Ein Strahlenbündel, beispielsweise ein Laser-Strahlenbündel, des Durchmessers d tritt durch die unverspiegelte Fläche 1 in das Penta-Prisma ein. Nach Reflexionen an den verspiegelten Flächen 3, 4 tritt das Strahlenbündel durch die unverspiegelte Fläche 2 aus dem Penta-Prisma aus. Mit Bezugszeichen 6, 7, 8 sind Strahlen dieses Strahlenbündels bezeichnet. Das Penta-Prisma rotiert um eine Achse, deren Lage mit der Lage des senkrecht zur Fläche 1 orientierten Strahlen 7 übereinstimmt. S charakterisiert die Lage des Schwerpunktes, dessen Abstand zur Fläche 2 mit s _p bezeichnet ist. Der Abstand zwischen Fläche 2 und der Schnittkante der Flächen 4 und 5 ist mit t bezeichnet.

In Fig. 2 ist ein Viereckprisma nach Wollaston dargestellt. Es besitzt zwei unverspiegelte Prismenflächen 9, 10, die einen rechten Winkel bilden, sowie zwei verspiegelte Prismenflächen 11, 12. Diese Flächen 10, 11 und diese Flächen 9, 12 schließen einen Winkel von 67,5° ein.

Ein Strahlenbündel, von dem lediglich Strahlen 13, 14, 15 dargestellt sind, tritt senkrecht durch Fläche 9 in das Viereckprisma ein, wird an der verspiegelten Fläche 11 reflektiert und nachfolgend an den Flächen 10, 9 total reflektiert. Nach Reflexion an der Fläche 12 tritt das Strahlenbündel aus Fläche 10 aus. Das austretende Strahlenbündel ist gegenüber dem eintretenden Strahlenbündel um 90° geknickt. Die Strahlenbündelachse 14 ist auch Drehachse des Viereckprismas. Die Drehachse ist in etwa senkrecht zur Prismenfläche 9 orientiert, d. h. die Drehachse schließt mit der Vertikalen auf die Prismenfläche 9 maximal einen Winkel von ca. 4° - abhängig vom Brechwert des Glases - ein.

In Fig. 2 ist der Idealfall einer nicht verkippten Drehachse dargestellt. Die einfallenden Lichtstrahlen sind untereinander sowie zur Fläche 10 parallel. Mit a ist der Abstand zwischen Fläche 10 und der Schnittkante zwischen den Flächen 9 und 12 bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel hat das Strahlenbündel gegenüber Fläche 10 einen Abstand x von z. B. 0,15 d. Der Abstand x ist erforderlich, damit auch bei einem Verkippen der Prismendrehachse eine korrekte und vollständige Umlenkung eines Strahlenbündels beibehalten wird.

Die vom Viereckprisma bewirkte Strahlenablenkung ist gegenüber Verkippungen der Prismendrehachse unempfindlich. Auch bei Verkippungen bleibt der Winkel zwischen dem austretenden Strahlenbündel und dem eintretenden Strahlenbündel konstant, wobei das austretende Strahlenbündel lediglich parallel zu sich verschoben ist. Durch die nachfolgende Abbildungsoptik, im Ausführungsbeispiel eine F-R-Optik eines Scanner-Systems , werden die zueinander parallelen Strahlenbündel fokussiert.

Im Vergleich zum Penta-Prisma liegt der Schwerpunkt des Viereckprismas nach Wollaston (Abstand s _w von Fläche 10) erheblich näher an der Prismendrehachse als der Schwerpunkt des Penta-Prismas an dessen Drehachse. Das Viereckprisma besitzt somit fast keine Unwucht mehr. Besonders bei hoher Drehzahl werden damit die Gleichlaufeigenschaften im Vergleich zum Penta-Prisma erheblich verbessert. Die Abstände t und a stimmen überein, d. h. in beiden Fällen ergibt sich für das Abbildungssystem die gleiche Eingangsschnittweite.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Ablenken eines Strahlenbündels in eine Ebene mittels eines um eine Achse drehbaren Umlenkprismas konstanter Ablenkung und einem dem Umlenkprisma zugeordneten Abbildungssystem, insbesondere einem F-R-Objektiv, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• - das Umlenkprisma ist ein an sich bekanntes Viereckprisma nach Wollaston,
• - die Drehachse (14) verläuft in etwa senkrecht durch eine Prismenfläche (9) der beiden Prismenflächen (9, 10), die einen rechten Winkel miteinander bilden,
• - der Abstand zwischen Drehachse (14) und Schwerpunkt (S) des Wollaston-Prismas ist klein oder Null.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• - die beiden einen 90°-Winkel einschließenden Prismenflächen (9, 10) des Viereckprismas sind unverspiegelt, und die beiden anderen Prismenflächen (11, 12) sind verspiegelt,
• - die Brechzahl des Prismas ist derart gewählt, daß ein in etwa parallel zur Drehachse orientiertes, durch die erste unverspiegelte Prismenfläche (9) in das Viereckprisma eingetretenes und an der dieser Eintrittsfläche gegenüberliegendes ersten verspiegelten Prismenfläche (11) reflektiertes Strahlenbündel (13, 14, 15) zunächst an der zweiten unverspiegelten Prismenfläche (10) und anschließend an der ersten unverspiegelten Prismenfläche (9) total reflektiert wird, ehe es nach Reflexion an der zweiten verspiegelten Prismenfläche (12) durch die zweite unverspiegelte Prismenfläche (10) aus dem Umlenkprisma austritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden senkrecht zueinander orientierten Prismenflächen (9, 10) in der zu deren Schnittgeraden senkrechten Richtung wenigstens eine Breite a = (1+2x) · d · √besitzen, mitd = Durchmesser des Strahlenbündels und
0,05 x 0,3, insbesondere
0,1 x 0,2.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenbündelachse auch Drehachse des Viereckprismas ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Viereckprisma das Strahlenbündel um einen Winkel von 90° umlenkt.