DE3711606A1 - Optisches abtastsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abtastsystem, das in der Lage ist, die Neigung irgendeiner reflektierenden Fläche eines sich drehenden polygonalen Spiegels (oder eines schwingenden Spiegels) unter Verwendung einer akusto-optischen Einrichtung zu korrigieren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Abtastgerät, das mit einer Anordnung zum Korrigieren irgendeiner Versetzung der Position, an der Licht auf irgendeine der reflektierenden Flächen des sich drehenden polygonalen Spiegels (oder des schwingenden Spiegels) auftrifft, versehen ist.

Wenn ein optisches Abtastsystem mit einem sich drehenden polygonalen Spiegel oder einem schwingenden Spiegel (diese zwei Arten von Spiegeln werden im folgenden insgesamt einfach als sich drehende polygonale Spiegel bezeichnet) einer Neigung irgendeiner der reflektierenden Flächen des sich drehenden polygonalen Spiegels unterliegt, so wird das sich ergebende Bild in seiner Position in Unterabtastrichtung (d. h. in einer Richtung senkrecht zur Hauptabtastrichtung) versetzt. Es wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um diese positionsmäßige Versetzung zu korrigieren, und Beispiele für das "Korrekturverfahren für eine geneigte Fläche", die eine akusto-optische Einrichtung verwenden, sind in den JA-OS'en 1 45 007/1975 und 84 440/1982 zu finden.

Die in diesen Patentanmeldungen vorgeschlagenen Verfahren bedienen sich der Tatsache, daß der Beugungswinkel 2Φ des auf einer akusto-optischen Einrichtung auftreffenden Lichts der Frequenz f der an der Einrichtung anliegenden Ultraschallwelle proportional ist, wobei die Beziehung gilt:

2R = f λ/ν

wobei λ die Wellenlänge des Lichts und ν die sich in einem modulierten Medium ausbreitende Schallgeschwindigkeit ist.

Bei den oben erwähnten Verfahren ist die akusto-optische Einrichtung vor dem sich drehenden polygonalen Spiegel so angeordnet, daß das auftreffende Licht durch die akusto-optische Einrichtung hindurchtritt, bevor es auf irgendeine der reflektierenden Flächen des polygonalen Spiegels auftrifft. Der Neigungsbetrag einer Polygonfläche wird in einem ersten Zustand entweder durch direkte Messung oder durch Erfassung mit einem geeigneten Instrument, z. B. einem lichtempfangenden Gerät bestimmt, wobei das Licht über die Abtastfläche auf einer Realzeitbasis streicht. Durch Anlegen eines Signals mit einer dem bestimmten Neigungsbetrag proportionalen Frequenz an die akusto-optische Einrichtung wird der Winkel des auf den sich drehenden polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts entsprechend der Neigung einer reflektierenden Fläche gesteuert.

Üblicherweise werden zwei Auslegungen bei dem optischen Abtastsystem verwendet, mit denen eine Korrektur einer geneigten Polygonfläche mit einer akusto-optischen Einrichtung erreicht wird. Diese Systeme sind in Fig. 1 und 2 dargestellt. Das in jeder dieser Figuren gezeigte optische System umfaßt die wesentlichen Bauteile bis zu dem sich drehenden polygonalen Spiegel und umfaßt nicht die späteren Bauteile, wie z. B. ein kondensierendes optisches System (z. B. eine f · Φ-Linse) und die Abtastfläche.

In Fig. 1 strahlt eine Lichtquelle 1 parallele Lichtstrahlen 2 aus, die mittels eines ersten Linsensystems L₁ kondensiert werden. Ein akusto-optischer Modulator 3 ist an einer Stelle angeordnet, an der die parallelen Lichtstrahlen mittels des ersten Linsensystems L₁ kondensiert werden. Das auf den akusto-optischen Modulator 3 auftreffende Licht 2 wird entsprechend einer elektrischen Bildinformation lichtmoduliert (d. h. es wird ein optisches Zwei-Zustands-(EIN-AUS-Signal erzeugt). Das modulierte Licht wird durch ein zweites Linsensystem L₂ zu parallelen Strahlen gerichtet, und wird dann einem akusto-optischen Deflektor 4 zugeleitet.

Der Deflektor 4 lenkt die auftreffenden parallelen Lichtstrahlen des Lichts 2 um einen dem Neigungsbetrag einer Fläche eines sich drehenden polygonalen Spiegels 5 entsprechenden Winkel ab. Der von dem Deflektor 4 austretende Parallelstrahl wird auf einen vorbestimmten Punktdurchmesser mittels eines dritten Linsensystems vergrößert, das aus Linseneinheiten L₃ und L₄ besteht, und trifft auf eine Reflektionsfläche des polygonalen Spiegels 5 in einem vorbestimmten Winkel auf.

Bei dieser Anordnung unterscheidet sich die Position des auf den polygonalen Spiegel 5 auftreffenden Lichts von dem Fall, bei dem das Licht mittels des Deflektors 4 abgelenkt wird, oder von dem Fall, in dem es nicht abgelenkt wird, und der Betrag der Positionsversetzung S wird durch die Gleichung

S ≃ M l₂ R _D

ausgedrückt, wobei M die Vergrößerung des Lichtstrahls durch die zwei Linseneinheiten L₃ und L₄, l₂ der Abstand vom Deflektor zur ersten Einheit L₃ des dritten Linsensystems und Φ _D der Ablenkungswinkel durch den Deflektor 4 bedeuten. Der Winkel Φ _P des auf den polygonalen Spiegel 5 auftreffenden Lichts wird ausgedrückt durch Φ _D /M.

Das in Fig. 2 dargestellte System verwendet eine einzige akusto-optische Einrichtung, um sowohl die Funktion des Modulators als auch des Deflektors von Fig. 1 durchzuführen. Wie im Fall von Fig. 1 werden von einer Lichtquelle 1 austretende parallele Lichtstrahlen 2 mittels eines ersten Linsensystems L₁ kondensiert. Eine erste akusto-optische Einrichtung 3, die sowohl als Modulator als auch Deflektor dient, ist jedoch entweder vor oder hinter der Stelle angeordnet, an der das von dem ersten Linsensystem L₁ austretende Licht kondensiert wird. Dieser Abstand zwischen dieser Position und der Einrichtung 3 wird durch l₃ ausgedrückt. Der Strahl wird somit, wenn er durch die akusto-optische Einrichtung 3 hindurchtritt, sowohl einer Lichtmodulation entsprechend der elektrischen Bildinformation, als auch der Ablenkung um einen Betrag unterworfen, der der Neigung einer Fläche des sich drehenden polygonalen Spiegels 5 entspricht.

Wie weiter im einzelnen in Fig. 3 dargestellt ist, gelangt der so bearbeitete Strahl durch ein zweites Linsensystem L₂ und der sich ergebende parallele Strahl wird auf einen Punktdurchmesser durch ein drittes Linsensystem, bestehend aus Linseneinheiten L₃ und L₄, vergrößert, und trifft auf eine Reflektionsfläche des polygonalen Spiegels 5 in einem vorbestimmten Winkel auf. Die Position des auf dem polygonalen Spiegel 5 in dem System von Fig. 3 auftreffenden Lichstrahls unterscheidet sich wiederum zwischen dem Fall, in dem das Licht abgelenkt wurde, und dem Fall, in dem es nicht abgelenkt wurde, wobei der Versetzungsbetrag S ausgedrückt wird durch:

S ≃ (l₃ + f₄) M R _M

wobei f₂ die Brennweite des zweiten Linsensystems L₂, Φ _M der Ablenkungswinkel durch die akusto-optische Einrichtung 3, und M die Vergrößerung, wie oben definiert, bedeuten. Fig. 3 ist eine übertriebene Darstellung der Versetzung S und der durch die Korrektur bedingten Nichtparallelität. Der Winkel des auf den polygonalen Spiegel 5 auftreffenden Lichts Φ _P wird ausgedrückt durch:

R _P ≃ l₃/f₂ · R _M /M

wobei l₃ einen positiven Wert hat, wenn die akusto-optische Einrichtung 3 vor dem ersten Linsensystem L₁ angeordnet ist, und einen negativen Wert hat, wenn sie hinter dem ersten Linsensystem L₁ angeordnet ist.

Wie bereits oben beschrieben, werden, wenn der Winkel des auf den sich drehenden polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts durch eine akusto-optische Einrichtung bei üblichen Korrektursystemen für geneigte Flächen gesteuert wird, wobei eine Versetzung der Position, an der das Licht auf den polygonalen Spiegel auftrifft, ebenfalls auftritt, folgende Probleme bewirkt. Erstens muß der sich drehende polygonale Spiegel so hergestellt werden, daß er eine mögliche Versetzung gestattet, was zu einer größeren Breite des polygonalen Spiegels und damit unabdingbar zu Schwierigkeiten bei der Herstellung und zu höheren Kosten führt. Zweitens treten, wenn das einer derartigen positionsmäßigen Versetzung unterworfene Licht durch den polygonalen Spiegel reflektiert wird, und auf ein optisches Kondensorsystem, z. B. eine f · Φ-Linse, auftrifft, nicht nur Aberrationsänderungen, wie z. B. der Feldkrümmung, sondern ebenfalls unerwünschte Bildverschiebungen in Unterabtastrichtung auf, wodurch eine Verschlechterung des auf der Abtastfläche ausgebildeten Bildes bewirkt wird.

Eine Versetzung der Auftreffposition kann durch die Verminderung der Vergrößerung M des abgelenkten Lichts vermindert werden. Die obere Grenze des Punktdurchmessers des Lichtes, das in die akusto-optische Einrichtung eingeführt wird, wird jedoch durch mechanische Faktoren bestimmt und es ist kein Raum für eine Einstellung der Vergrößerung M, wenn man wünscht, daß ein Strahl mit einem vorbestimmten Punktdurchmesser auf den sich drehenden polygonalen Spiegel fallen soll. Wenn ein Strahl mit einem kleinen Punktdurchmesser auf den polygonalen Spiegel auftrifft, ist die Vergrößerung M klein genug, um eine weniger vortretende Versetzung der Position des auftreffenden Lichts zu erzeugen. Wenn es jedoch notwendig ist, den Punktdurchmesser des auftreffenden Lichts zu vergrößern, steigt die Vergößerung M bis zu einem solchen Niveau, daß der Versetzungsbetrag von der Auftreffposition nicht länger vernachlässigbar ist.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß, wenn M verglichen mit Φ _M oder (Φ _D ), welches die Ablenkungswinkel durch die akusto-optische Einrichtung sind, klein ist, der Winkel des auf den polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts Φ _P zunimmt, wodurch es schwierig wird, eine sehr feine Korrektur der geneigten Flächen zu erreichen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Abtastsystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß sowohl die Versetzung der Position des auf einen sich drehenden polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts als auch der Auftreffwinkel des Lichts gleichzeitig korrigiert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst, d. h. durch Verwendung von zwei akusto-optischen Einrichtungen zur Korrektur des Auftreffwinkels und der Versetzung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen von zwei üblichen Systemen;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Versetzung der Stelle des auftreffenden Lichts aufgrund der Ablenkung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 4 ist eine Lichtquelle 1 dargestellt, die parallele Lichtstrahlen aussendet, die mittels eines ersten Linsensystems L₁ kondensiert werden. Eine erste akusto-optische Einrichtung 3 ist an einer Stelle angeordnet, an der das Licht mittels des ersten Linsensystems L₁ kondensiert wird. Das in die erste akusto-optische Einrichtung 3 einfallende Licht wird optisch entsprechend einer elektrischen Bildinformation S(t) moduliert und wird weiter um einen Winkel Φ _M1 abgelenkt, der dem Versetzungsbetrag einer Auftreffposition entspricht, die durch den Neigungseingang einer Fläche eines sich drehenden polygonalen Spiegels 5 vorbestimmt wurde. Das heißt, die Frequenz F des die erste akusto-optische Einrichtung 3 antreibenden Signals beträgt F₁ = K(Φ _M1 + S(t)), wobei K ein durch die Eigenschaften der Einrichtung bestimmter Proportionalitätsfaktor und S(t) das binäre Datensignal darstellen.

Das abgelenkte Licht gelangt durch ein zweites Linsensystem, bestehend aus den Linsen L₂ und L₃ und trifft auf eine zweite akusto-optische Einrichtung 4 an einer Stelle, die in einem Abstand l₁ von der Stelle angeordnet ist, an der das Licht kondensiert wird. Die zweite akusto-optische Einrichtung 4 lenkt das auftreffende Licht um einen Winkel Φ _{M 2} ab, der dem Neigungsbetrag einer Fläche des polygonalen Spiegels 5 entspricht. Die Frequenz F₂ des die zweite akusto-optische Einrichtung antreibenden Signals wird durch die Beziehung F₂ = K Φ _{M 2} gegeben.

Das von der zweiten akusto-optischen Einrichtung 4 austretende Licht gelangt durch ein drittes Linsensystem L₄, und der sich daraus ergebende parallele Strahl wird in ein viertes Linsensystem, bestehend aus den Linseneinheiten L₅ und L₆ geleitet, wo er um eine Vergrößerung M vergrößert wird, um einen vorbestimmten Punktdurchmesser zu erzeugen. Der vergrößerte Strahl fällt dann auf den polygonalen Spiegel 5 in einem vorbestimmten Winkel.

In der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Auftreffwinkel Φ _P des auf den polygonalen Spiegel 5 auftreffenden Lichts ausgedrückt durch:

R _P = R _M2 l ₁/f ₄ M (1)

und der Versetzungsbetrag der Auftreffposition S wird ausgedrückt durch:

S ≃ [-f₂ · f₄ · R _M1/f ₃ + (l₁ + f₄) · R _M2] · -M (2)

wobei M die Vergrößerung ist, um die der Punktdurchmesser des Lichtstrahls durch das vierte Linsensystem L₅ und L₆ vergrößert wurde, l₁ der Abstand von der Stelle ist, an der das Licht durch das zweite Linsensystem L₂ und L₃ kondensiert wurde, bis zur zweiten akusto-optischen Einrichtung 4. (l₁ hat einen positiven Wert, wenn die zweite akusto-optische Einrichtung 4 vor der Lichtkondensationsstelle angeordnet ist, und hat einen negativen Wert, wenn sie hinter dieser Stelle angeordnet ist); f₂ ist die Brennweite der ersten Linseneinheit L₂ des zweiten Linsensystems; f₃ ist die Brennweite der zweiten Linseneinheit L₃ desselben Systems; und f₄ ist die Brennweite des dritten Linsensystems L₄.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Ablenkungswinkel Φ _M2 der zweiten akusto-optischen Einrichtung 4 zuerst auf einen Wert unter Berücksichtigung des Neigungsbetrages einer Fläche des polygonalen Spiegels eingestellt, woraufhin dann die Brennweite der entsprechenden Linsensysteme und der Abstand l₁ so bestimmt werden, daß die Bedingung der folgenden Gleichung (3) erfüllt wird:

R _M1 = [f₃ · (l₁ + f₄)/(f₂ · f₄)] · R _M2 (3)

Wenn die erste akusto-optische Einrichtung 3 so ausgelegt ist, daß sie einen Ablenkungswinkel R _M1 bewirkt, der durch das obige Verfahren bestimmt wird, kann die Versetzung der Auftreffposition des auf den polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts im wesentlichen eliminiert werden.

Im folgenden soll angenommen werden, daß f₂ = 340 mm, f₃ = f₄ = 280 mm, M = 15 und l₁ = 30 mm beträgt oder daß Φ _P oder der Auftreffwinkel des auf den polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts nach der Einstellung auf die Neigung einer Fläche des Spiegels 10.3′′ ist. Gleichung (1) zeigt, daß der Ablenkwinkel durch die zweite akusto-optische Einrichtung 4 Φ _M2 = 0,40° beträgt und Gleichung (3) ergibt, daß der Ablenkwinkel durch die erste akusto-optische Einrichtung 3 Φ _M1 = 0,36° beträgt. Wenn Φ _M1 auf diesen Wert eingestellt wird, kann die Versetzung der Auftreffstellung des auf den polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts im wesentlichen eliminiert werden.

Es soll weiter der Fall angenommen werden, daß f₃ = f₄ = 280 mm, f₂ = 310 mm, l₁ = 30 mm und M = 15 ist und Φ _P wird auf 10.3′′ wie im ersten Fall eingestellt. Gleichung (1) und (3) ergeben, daß Φ _M1 = Φ _M2 = 0,4°. Das heißt mit anderen Worten, der Ablenkungswinkel der ersten akusto-optischen Einrichtung 3 kann dem der zweiten akusto-optischen Einrichtung 4 gleichgemacht werden, so daß die Versetzung der Auftreffstellung des auf den polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts wirksam korrigiert werden kann. In diesem Fall können beide akusto-optischen Einrichtungen mit einem Ablenkungsoszillator elektrisch gesteuert werden, um eine vereinfachte Verarbeitung in einem zugeordneten elektrischen Schaltkreis zu verwirklichen.

Die oben beschriebene Ausführungsform ist die geeignetste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei jedoch verschiedene Änderungen in der Praxis möglich sind. Beispielsweise kann das Linsensystem L₂ und L₄, durch die das durch die erste und zweite akusto-optische Einrichtung hindurchgetretene Licht kollimiert wird, weggelassen werden. Weiter kann die erste akusto-optische Einrichtung 3 ein wenig von der Stelle weg angeordnet werden, an der das durch das Linsensystem L₁ hindurchtretende Licht kondensiert wird, wobei diese Anordnung den Vorteil hat, daß nicht nur die zweite akusto-optische Einrichtung 4, sondern auch die erste akusto-optische Einrichtung 3 an der Berichtigung der Versetzung der Auftreffposition entsprechend dem Neigungsbetrag einer Fläche des polygonalen Spiegels teilnimmt. Wenn derartige Änderungen durchgeführt werden, werden die durch die Gleichungen (1) bis (3) ausgedrückten Beziehungen nicht vollständig erfüllt, wenn nicht einige zusätzliche Berichtigungen bewirkt werden. Jedoch, auch in diesem Fall wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst, wenn die Ablenkungswinkel durch die erste und zweite akusto-optische Einrichtung so bestimmt werden, daß sie der Neigung einer Fläche des sich drehenden polygonalen Spiegels 5 und der Versetzung der Auftreffposition des auf den Spiegel auftreffenden Lichts entsprechen.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird durch die erste akusto-optische Einrichtung 3 eine Lichtmodulation erreicht, jedoch ist dies keine absolute Forderung, und eine elektro-optische Einrichtung (E/O) kann auf der Seite des ersten Linsensystems L₁ angeordnet sein, die in der Nähe der Lichtquelle 1 angeordnet ist. In diesem Fall kann die E/O-Einrichtung an der Seite des ersten Linsensystems L₁ angeordnet sein, das sich in der Nähe der Lichtquelle 1 befindet.

Wie oben beschrieben, wird mit der Erfindung eine gleichzeitige Korrektur des Auftreffwinkels des auf einen sich drehenden polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts als auch die Versetzung der Auftreffposition des Lichts erreicht. Dies verhindert, daß Licht auf ein optisches Kondensorsystem ohne Korrektur in bezug auf die Versetzung der Auftreffposition des auf den polygnalen Spiegel auftreffenden Lichts auftrifft. Hierdurch wird ebenfalls die Möglichkeit einer Verschlechterung des auf der Abtastfläche auszubildenden Bildes ausgeschaltet. Weiter kann ein abgelenkter Strahl im Punktdurchmesser auf eine ziemlich große Vergrößerung vergrößert werden, ohne daß irgendeine wesentliche Versetzung der Auftreffposition des auf den polygonalen Spiegel auftreffenden Lichts bewirkt wird, was zu einer größeren Breite bei der Auslegung des Systems führt.

Claims (3)

1. Optisches Abtastsystem, gekennzeichnet durch

• - einen Reflektor (5), bestehend aus einem sich drehenden polygonalen Spiegel oder einem schwingenden Spiegel;
• - eine Lichtquelle (1);
• - ein erstes Linsensystem (L₁) zum Kondensieren des von der Lichtquelle (1) abgestrahlten Lichts;
• - eine erste akusto-optische Einrichtung (3), die an oder in der Nähe der Stelle angeordnet ist, an der das Licht mittels des ersten Linsensystems (L₁) kondensiert wird;
• - ein zweites Linsensystem (L₂, L₃) zum Kondensieren des durch die erste akusto-optische Einrichtung (3) hindurchgetretenen Lichts;
• - eine zweite akusto-optische Einrichtung (4), die an einer Stelle angeordnet ist, die in einem vorbestimmten Abstand von der Stelle entfernt angeordnet ist, an der das Licht mittels des zweiten Linsensystems (L₂, L₃) kondensiert wird; und durch
• - ein drittes Linsensystem (L₄), das ein Auftreffen des durch die zweite akusto-optische Einrichtung (4) hindurchgetretenen Lichts auf eine Reflektionsfläche des Reflektors (5) gestattet, wobei die nicht Null betragenden durch die erste und zweite akusto-optische Einrichtung (3, 4) erzielten konstanten Ablenkungswinkel entsprechend eines Neigungsbetrages einer Fläche der Reflektionsfläche des Reflektors (5) für eine Versetzung der Auftreffposition des auf die Reflektionsfläche auffallenden Lichts bestimmt werden.

2. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkungswinkel der ersten akusto-optischen Einrichtung (3) dem konstanten Ablenkungswinkel durch die zweite akusto-optische Einrichtung (4) gleichgemacht wird.

3. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Linsensystem (L₂, L₃) zwei Linseneinheiten mit Brennweiten (f₂ bzw. f₃) umfaßt, daß das dritte Linsensystem (L₄) eine Brennweite (f₄) aufweist, daß der vorbestimmte Abstand l und die konstanten Ablenkungswinkel der ersten und zweiten akusto-optischen Einrichtung (3, 4) Φ _M1 bzw. Φ _M2 sind und zueinander im wesentlichen in der Beziehung stehen: R _M1 = [f₃ · (l + f₄)/(f₂ · f₄)] · R _{M 2}.