DE4445136A1 - Axialspiegel-Abtastsystem und -verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung im allgemeinen und insbesondere eine zylindrische opti­ sche Hochgeschwindigkeits-Drehabtastvorrichtung.

Optische Abtastsysteme sind bekannt und verbreitet. Sie bilden wichtige Bestandteile in Vorrichtungen wie Strichcodeabtastern, Laserdruckern und Faxgeräten.

Optische Abtastsysteme verwenden einen Abtastmechanis­ mus, der die optische Bahn eines auf einen sich bewe­ genden Spiegel einfallenden Lichtstrahls verändert, um einen Abtastlichtstrahl zu erzeugen. Ein Verfahren zur Erzeugung eines Abtastlichtstrahls besteht in der Ver­ wendung einer Wobble-Spiegelvorrichtung. Ein an einer Achse befestigter ebener Spiegel wird mit einem Galva­ nometerantrieb verbunden und gewobbelt, d. h. hin- und herbewegt, um durch Reflexion eines auf den Spiegel einfallenden Lichtstrahles den Abtasteffekt zu erzie­ len. Um das Wobbeln des Spiegels zu bewirken, wird ein Vorzeichenwellen-(Vorzeichenwechsel-)Eingangssignal in den Galvanometerantrieb eingegeben. Die obere Grenze der normalen Abtastgeschwindigkeit liegt bei etwa 2000 Abtastungen pro Minute. Es sind Einheiten im Handel, die mit 1000 Abtastungen pro Sekunde abtasten, und es ist denkbar, daß diese Einheiten bis zu 2000 Abtastun­ gen pro Sekunde vornehmen können, doch ist die Lebens­ dauer der Einheit bei diesem Geschwindigkeiten bedeu­ tend herabgesetzt.

US-PS-4 796 963 offenbart eine Vorrichtung, die einen abgeflachten polygonalen Facettendrehspiegel verwendet. Mit dieser Vorrichtung lassen sich höhere Abtastraten erzielen als mit der Wobblespiegelvorrichtung, da der polygonale Spiegel gedreht statt gewobbelt wird.

In US-PS-4 717 224 wird eine andere Abtastvorrichtung offenbart. Bei dieser Vorrichtung wird ein flacher Drehspiegel verwendet, der ausgehend von einer senk­ recht zur Drehachse verlaufenden Linie unter einem Win­ kel von 0,20 bis 20 (d. h. 0,00035 Radiant bis 0,0035 Radiant) geneigt ist. Der geneigte Spiegel ist zwischen zwei Zylindern befestigt, deren Enden verkeilt sind, um den Spiegel in der Schräge zu halten. Die Möglichkeiten dieser Vorrichtung sind dadurch sehr begrenzt, daß nur ein einziger Eintrittsstrahl oder einfallender Quellen- Strahl, der entlang der Drehachse des Zylinder-Spiegel- Komplexes ausgerichtet wird, zugelassen wird. Der Strahl wird dann kegelartig aus dem Zylinderende zu­ rückreflektiert. Damit er nutzbar gemacht werden kann, müssen komplizierte optische Nach-Reflexions-Instrumen­ te verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Abtastvorrichtung zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Eigenschaften bei zuverlässiger Funktion und hoher Lebensdauer aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung mit dem Merkmal des Anspruchs 1 bzw. 10 vorgeschlagen; vorteil­ hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angeführt.

Das erfindungsgemäße optische Drehspiegelabtastsystem weist auf: mindestens eine Strahlungsenergiequelle, eine Eintritts-Abbildungseinrichtung zum Vorfokussieren der Strahlungsenergie zu mindestens einem Eintritts­ strahl, und eine Drehspiegeleinrichtung zum Reflek­ tionsändern der Richtung des Eintritts-Strahls. Die Spiegeleinrichtung weist einen Zylinder auf, der aus für den Eintrittstrahl optisch lichtdurchlässigem Mate­ rial konstruiert ist und eine Spiegelfläche aufweist, die so angeordnet ist, daß eine Ebene der Spiegelfläche den Zylinder entlang der Drehachse teilt. Ferner ist eine Austrittabbildungseinrichtung zum Fokussieren min­ destens eines reflektierten Eintrittsstrahls zu min­ destens einem Austrittabtaststrahl vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist auch ein Hochgeschwindigkeits-Dreh­ spiegelteil eines optischen Abtastsystems mit einem zylindrischen Träger vorgesehen, welcher einen ersten Teil mit optisch lichtdurchlässigem Material und glat­ ten kreisförmigen Außenflächen aufweist, die zur Mini­ mierung des Luftwiderstands bei der Drehung um die Achse des zylindrischen Trägers ausgebildet sind, welche koaxial zu der gebogenen Fläche des Zylinders ist. Entlang des Durchmessers des zylindrischen Trägers ist eine optisch reflektierende planare Fläche ausge­ bildet, die sich durch die Drehachse des zylindrischen Trägers erstreckt.

Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Verbes­ serung der Abtastrate eines Abtastsystems mit einem mit Hochgeschwindigkeit rotierenden, optisch reflektieren­ den Spiegel vor. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Einschließens eines optisch reflektierenden Spiegels in einem optisch lichtdurchlässigen drehbaren Zylinder, so daß eine Spiegel ebene parallel zu der Drehachse des op­ tisch lichtdurchlässigen Zylinders und durch diese hin­ durch verläuft, des Drehens des Zylinders und des Posi­ tionierens eines Energiestrahls derart, daß er von einem auf der Drehachse des optisch reflektierenden Spiegels zentrierten definierten Ursprungs reflektiert wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im ein­ zelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein erfin­ dungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Axialspie­ gelsystems,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Axialspiegelsystems,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Axialspiegelsystems,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines herkömm­ lichen optischen Polygonalspiegel-Abtasters und

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen in zwei Drehpositio­ nen dargestellten Teil eines optischen Polygo­ nalspiegel-Abtasters.

Die Fig. 4 und 5 zeigen in schematischer Form einen Spiegelbestandteil bekannter Facettenpolygonabtastsys­ teme. Fig. 4 zeigt einen Teil eines hexagonalen Zylin­ ders 10 mit sechs reflektierenden Oberflächenfacetten 12. Die Verbindungsstelle jeder Facette 12 bildet einen Scheitelpunkt 14. Wenn der hexagonale Zylinder 10 eine Hochgeschwindigkeitsaxialdrehung um die Achse A-A er­ fährt, verursachen die Scheitelpunkte Systemleistungs­ probleme, die mit dem Luftwiderstand, Turbulenz und Vibration zusammenhängen.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des hexagonalen Zylinders 10 von Fig. 4. Fig. 5 zeigt einen Eintrittsstrahl 16, der auf eine Facettenfläche 12 auf­ trifft. Die Reflexion des Eintrittsstrahls 16 von der Facettenfläche 12 bildet einen Austrittsstrahl 18, welcher eine entsprechende Bildebene an einer bestimm­ ten Stelle aufweist, die jedoch nicht gezeigt ist. Der Eintrittsstrahl 16 hat eine Koordinatenorientierung mit einer z-Achse 20, die auch die optische Achse des Ein­ trittsstrahls 16 und des Austrittsstrahls 18 ist, eine x-Achse 22, die senkrecht zur z-Achse 20 verläuft sowie eine y-Achse 23, die sowohl zur x-Achse 22 als auch zur z-Achse 20 senkrecht verläuft und als aus der Ebene der Zeichnung in gleicher Ausrichtung wie die Drehachse 24 herausragend dargestellt ist. Bei Drehung des hexagona­ len Zylinders 10 verändert sich der Einfallspunkt 26 des Eintrittsstrahls 16 in der Nähe des Mittelpunkts der Facettenfläche 12 beispielsweise zu einem Einfallspunkt 28, der näher am Rand der Facettenfläche 12 liegt, wenn die Facettenfläche den Eintrittsstrahl 16 drehend pas­ siert. Diese Bewegung des Einfallspunkts hat eine Be­ wegung des Abtastursprungs um eine Strecke entlang der z-Achse 20 zur Folge, die gleich dem Abstand zwischen den Einfallspunkten 26 und 28 entlang der optischen Achse ist. Ein Strahlenteil, der auf den Mittelpunkt einer Facettenfläche einfällt, muß einen weiteren Weg zu der Bildebene zurücklegen als ein Strahlenteil, der seitlich des Facettenmittelpunkts einfällt. Diese Bewe­ gung des Ursprungs entlang der z-Achse 20 erzeugt eine Brennweitendiskrepanz an der Bildebene. Die Korrektur dieser z-z-Verschiebung kann in Abhängigkeit von der Verwendung der Abtastvorrichtung sehr schwierig und einschränkend sein.

Die Bewegung des Einfallpunkts oder Abtastursprungs bewirkt ferner eine variable Geschwindigkeitsverände­ rung bei der Abtastbewegung des Austrittsstrahls 18. Wenn der Einfallspunkt des Eintrittsstrahls 16 sich dem Mittelpunkt der Facettenfläche 12 nähert, kommt der Abtastursprung der Drehachse 24 näher. Diese Verkürzung des Abstandes oder Krümmungsradius wirkt sich in einer Verlangsamung der Rate der Veränderung der Bewegung des Austrittsstrahls 18 an der Bildebene aus. Die Bewegungs­ veränderungsrate an der Bildebene ist am langsamsten am Facettenmittelpunkt und wird mit sich von der Drehachse wegbewegendem Abtastursprung immer schneller. Diese Veränderbarkeit der Abtastgeschwindigkeit macht eine zusätzliche Korrektureinrichtung erforderlich, wenn die Geschwindigkeit der Strahlabtastung bei einem Drehpoly­ gonalfacettenspiegel verwendet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 als Abtastsystem 100 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Abtastsystem 100 einen in Draufsicht dargestellten optisch lichtdurchlässigen massiven Zylinder 130 auf, wobei das optische Koordina­ tensystem durch eine z-Achse 120, eine x-Achse 122 und eine y-Achse 141 definiert ist, die senkrecht zu der x- und der z-Achse verläuft und aus der Ebene der Figur herausragt. Die y-Achse 141 erstreckt sich parallel zur Drehachse 138 des Zylinders 130. Zur Herstellung des Zylinders 130 können viele unterschiedliche geeignete Materialien verwendet werden, darunter beispielsweise Quarzglas. In diesem Ausführungsbeispiel besteht der lichtdurchlässige Zylinder aus einer Materialzusammen­ setzung, die einen Brechungsindex von 1,5 hervorruft. Außerdem ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Ein­ trittabbildungseinrichtung mit einer einzelnen konvex­ konkaven Eintrittlinse 132 zum Streuen der von min­ destens einer Laserquelle 135 hergeleiteten und als Eintrittsstrahl 136 ausgebildeten Strahlungsenergie vor­ gesehen, so daß der Brennpunkt des Strahls jenseits des Zylinders 130 fällt. Zur Konstruktion des Zylinders 130 kann ein geeignetes Material verwendet werden, das keine Fremdbrechkraft erfordern würde, doch ist eine Eintrittlinse 132 nützlich, um wenigstens die sphäri­ schen Aberrationslinsencharakteristiken des Zylinders 130 auszugleichen. Zur Herstellung der Eintrittlinse 132 sind verschiedene Linsenmaterialien sowie zahl­ reiche Formen geeignet, vorausgesetzt, daß die Form hinsichtlich optischer Leistung negativ ist, beispiels­ weise konkav-plan, doppelt-konkav oder plankonkav. Bei dieser Darstellung wurde ein Linsenmaterial mit einem Brechungsindex von 2,0 gewählt.

Der Eintrittsstrahl 136 kann von einer Reihe unter­ schiedlicher Strahlungsenergiequellen, wie beispiels­ weise im Sichtbaren strahlende Laser, gebildet werden, welche in dieser Figur nicht gezeigt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht der Eintrittsstrahl, schema­ tisch dargestellt, aus kohärenter Strahlungsenergie. Eine bevorzugte Strahlungsenergiequelle ist ein Helium- Neon-Laser. Der Eintrittsstrahl 136 und die Eintrittlin­ se 132 sind ortsfest und ausgerichtet. Dies gewähr­ leistet, daß die z-Achse 120 des Eintrittsstrahls 136, die optische Achse der Eintrittlinse 132 und die Dreh­ achse 138 des Zylinders 130 sich schneiden. Die Ebene des Spiegels 140 geht in Richtung der y-Achse 141 durch die Drehachse 138 hindurch. Der Eintrittsstrahl 136 ist in Richtung der x-Achse 122 symmetrisch um die z-Achse 120 zentriert und auch so ausgerichtet, daß er in Rich­ tung der x-Achse 122 um die Drehachse 138 des Spiegels 140 symmetrisch ist. Durch die Symmetrie um die x-Achse 122 werden z-z-Bahnlängendiskrepanzen bei Licht, daß sich bei Drehung des Zylinders 130 vom Mittelpunkt weg seitwärts zur z-Achse 120 bewegt, beseitigt.

An den Flächen 142 und 144 der Eintrittlinse 132 und der Fläche 146 des Zylinders 130 tritt eine optische Brechung des Eintrittsstrahls 136 auf, um einen ge­ brochenen Eintrittsstrahl 137 zu bilden. Der gebrochene Eintrittsstrahl 137 wird dann von der Oberfläche des Spiegels 140 reflektiert und verläßt den Zylinder 130 an dem Teil 148 als Austrittabtaststrahl 150. Die Form der Zylinderoberfläche 148 ist identisch mit der Fläche 146, doch üblicherweise hat die Oberfläche 148 einen negativen Radiuswert aufgrund ihrer Ausrichtung zur z- Achse 120 und der Richtung der Ausbreitung des Aus­ trittabtaststrahls 150. Die Summierung dieser Brechungseigenschaften in Verbindung mit der Reflexion an der Spiegeloberfläche 140 erzeugt einen Austrittab­ taststrahl 150, dessen Brennpunkt 152 in der Bildebene 134 liegt, die in diesem Ausführungsbeispiel etwa 20 cm von dem Zylinder 130 entfernt ist. Wenn sich der Zylin­ der 130 mit dem Spiegel 140 dreht, verschiebt sich der Austrittabtaststrahl 150 als sich bewegender fokussier­ ter Lichtpunkt entlang der Bildebene 134 in einem Bogen um die Drehachse 138 des Zylinders 130. Wie Fig. 1 zeigt, liegt der Brennpunkt des Austrittabtaststrahls 150 nun bei 154, nachdem der Zylinder 130 eine Drehung von 3,50 (d. h. 0,0611 Radiant) durchgeführt hat. Der Brennpunkt des Austrittabtaststrahls 150 bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit in der Bildebene 134.

Wenn der Spiegel 140 so konstruiert ist, daß er auf beiden Seiten spiegelt (in entgegengesetzte Richtungen orientierte reflektierende Flächen) erzeugt ein einzel­ ner Eintrittsstrahl 136 einen Austrittabtaststrahl 150 in einem Bogen von 360° (d. h. 6,28 Radiant) um die Drehachse 138, und zwar von dieser um die Bildebene 134 beabstandet. Bei einem solchen doppelseitigen Spiegel werden bei einer einzigen Umdrehung des Zylinders 130 zwei Abtastungen erzeugt.

In vielen Anwendungsbereichen wird ein Abtaststrahl in begrenzter Orientierung oder Richtung von der Abtast­ einheit verwendet. Wie Fig. 2 zeigt, wird in dem System 100 eine Maske 160 verwendet, um den Austrittabtast­ strahl 150 auf diejenigen Bogengrade zu beschränken, die durch eine Öffnung 170 in einem Teil der Maske 160 definiert sind. Bei diesen Anwendungen mit einem ein­ zelnen Eintrittsstrahl 136 und Doppelspiegeln 140 er­ zeugt jede Umdrehung des Zylinders 130 zwei Abtast­ linien, die auf der Bildebene 134 fokussiert werden. Aufgrund der Verwendung einer in geeigneter Weise ge­ formten Austrittlinse 180, die in geeigneter Weise in der Nähe der Öffnung 170 positioniert ist, ist die Bildebene 134 eben.

Fig. 3 zeigt ein System 200, das ein anderes Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Zylinder 210 ist vorzugsweise aus zwei Quarzkristall­ glashalbzylindern 212 und 214 konstruiert. Die Halb­ zylinder 212 und 214 sind optisch lichtdurchlässig. Das Quarzkristallglas hat einen Brechungsindex von 1,45674. Vor dem Zusammenbau werden die planaren Flächen der Halbzylinder 212 und 214 spiegelartig beschichtet, bei­ spielsweise mit Aluminium, um reflektierende Flächen zu bilden. Die Halbzylinder 212 und 214 werden dann mit den Rückseiten gegeneinandergesetzt und in für Hochge­ schwindigkeitsdrehung geeigneter Weise gesichert. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbindung durch mehrere Ringe, beispielsweise die Halteringe 216 und 218 an den axialen enden des Zylinders 210. Wie ge­ zeigt, weist der Zylinder 210 einen doppelseitigen Spiegel 220 auf, der den Zylinder halbiert, wobei eine Ebene des doppelseitigen Spiegels 220 durch eine Dreh­ achse 222 des Zylinders 210 verläuft, bei der es sich um die y-Achse handelt. Der Zylinder 210 ist 2 cm hoch und hat einen Durchmesser von 2 cm. Die Sprengringe 216 und 218 sind 0,25 cm breit.

Der Zylinder 210 ist mit Geschwindigkeiten von bis zu 1.469 Umdrehungen pro Sekunde drehbar. Dies erzeugt 482631328,3 Pascal oder Newton pro Quadratmeter (N/m²) (d. h. 70000 Pound pro Quadratinch) in dem Quarzkri­ stallglas, was die maximale Beanspruchung darstellt, die dieses Material normalerweise aushalten kann. Die Oberflächenkrümmung jedes Halbzylinders aufgrund der Biegung beträgt 0,00352 Millimeter (mm), was als op­ tisch annehmbar angesehen wird. Mit lediglich einem Eintrittsstrahl und unter Verwendung eines doppelseiti­ gen Spiegels liefert das System 200 eine maximale Ab­ tastrate von 2938 Abtastungen pro Sekunde. Unter Ver­ wendung einer Sicherheitsspanne von maximal 67% kann sich der Zylinder 210 mit einer Geschwindigkeit von 1200 Umdrehungen pro Sekunde drehen, wobei der bei einem einzigen Eintrittsstrahl eine 2400 Austrittab­ tastungen erzeugt.

Kleinere Zylinder können sich mit höheren Raten drehen als größere Zylinder. Ferner können auch mit anderen Materialien als Quarzglas die erwünschten Festigkeiten und die für eine vorgegebene Anwendung erforderlichen Brechungsindexes erreicht werden.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann der Eintrittsstrahl 224 von einer Anzahl verschiedener Strahlungsenergiequel­ len, wie beispielsweise im Sichtbaren strahlende Laser, gebildet werden, welche in dieser Figur nicht gezeigt sind. Die Eintrittsstrahllinsen 226 und 228 dienen zur Korrektur der Fokussierung in der y-Achse. Die Ein­ trittsstrahllinse 230 besteht aus einer Zusammensetzung mit dichtem Flint mit einem Brechungsindex von 1,879 und korrigiert sphärischer Aberration und wirkt mit der optischen Eigenart des Zylinders 210 zusammen, um an der geeigneten Bildebene 234 im Abstand von dem Zylin­ der 210 einen fokussierten Strahl bereitzustellen. Die Eintrittsstrahllinse 230 (oder jede von mehreren Linsen 230) ist konvex-konkav, wobei die konvexe Fläche einen Radius von 6 cm und die konkave Innenfläche einen Radius von 2 cm aufweist. An dem Mittelpunkt ihrer op­ tischen Achse weist die Eintrittsstrahllinse 230 eine Dicke von 1 mm auf, wobei die Fläche mit der geringeren Krümmung um 3 mm von der Oberfläche des Zylinders 210 entfernt ist. Die Brennweite des Systems 200 ist 30 cm von der Oberfläche des Zylinders 210 entfernt. Zum "Eben-Machen" (Begradigen) der Bildebene 234 verwendet das System 200 ferner eine Austrittabtaststrahllinse 232.

Das System 200 funktioniert gut mit sechs Quellen für Eintrittsstrahlen 224 und sechs Sätzen von Eintritt­ strahllinsen 226, 228 und 230 um den Umfang des Zylin­ ders 210, obwohl das Ausführungsbeispiel nicht durch diese Anzahl der Sätze eingeschränkt werden sollte. Bei Rotation mit 1200 Umdrehungen pro Sekunde stellt der Zylinder 210 mit dem doppelseitigen Spiegel 220 14400 Abtastaustrittsstrahlen pro Sekunde in einem Bogen von 360° (d. h. 6,283 Radiant) um den Zylinder herum zur Verfügung. Jeder Austrittabtaststrahl wäre nur dann nützlich, wenn er nicht durch eine der sechs Eintritt- Strahlquellen 224 behindert wird. Eine Maske 236 mit einem eine Öffnung 238 bildenden Teil beschränkt den gesamten Austritt auf lediglich eine Richtung. Die Öff­ nung 238 kann von beliebiger, für den Anwendungsbereich geeigneter Größe sein. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist von einer Größe, die ausreicht, um eine Abtast­ zeilenlänge von 21,59 cm (d. h. 8 1/2 Inches), die auf die Bildebene 234 fokussiert ist, wie dargestellt, be­ reitzustellen. Wenn das System derart ausgebildet ist, daß es eine Austrittsstrahlpunktgröße von 0,084 mm lie­ fert, wird ein Träger (z. B. ein Stück Papier) mit einer Größe von 21,59 cm mal 29,94 cm (d. h. 8 1/2 Inches mal 11 Inches) um 0,084 mm pro Abtastzeile in 0,23 Sekunden abgetastet. Eine Strahlpunktgröße von 0,084 mm ist einer Auflösung von 300 Punkten pro 2,54 cm (d. h. 300 Punkten pro Inch (dpi), Standardauflösung heutiger Laserdrucker) gleichwertig.

Eine alternative Anwendung, bei der mehrere Eintritt­ strahlen verwendet werden, besteht darin, die Strahlen in Richtung der y-Achse versetzt aufeinanderzustapeln.

Abhängig vom Anwendungsbereich kann der Austritt an jedem Punkt entlang der y-Achse unabhängig gesteuert, d. h. ein- und ausgeschaltet, werden.

Die Erfindung gestattet unter Verwendung einer beliebi­ gen Anzahl von Eintritts- und Austrittabbildungslinsen­ untersystemen eine verbesserte Anwendbarkeit beim hoch­ auflösenden Hochgeschwindigkeitsabtasten. Zusätzlich kann eine Vorrichtung eine zusätzliche Eintrittlinse verwenden, die einen Eintrittsstrahl entlang der y-Achse streut. Der Zylinder 210 ist in der y-Achse nicht ge­ krümmt und hat keine optische Energie in der y-Achse (verursacht keine Streuung in y-Richtung). Daher tritt ein derartiger Abtaststrahl als gefächerte Strahlungs­ energie aus, die an der Bildebene 234 als dünne Linie in Richtung der y-Achse fokussiert wird. Die Drehung des Zylinders 210 führt zu einer Abtastzeile, die in Richtung der y-Achse orientiert ist und die in Richtung der x-Achse um die Drehachse 222 des Zylinders 210 ab­ tastet.

Die vorliegende Erfindung läßt zahlreiche Kombinationen von in Richtung der x- und y-Achse angeordneten Ein­ tritt- und Austrittabbildungsuntersystemen zu. Bevor­ zugt werden eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen optischen Hochgeschwindigkeitsabtaster, der einen Drehspiegel verwendet, welcher derart positioniert ist, daß die Drehachse auf, jedoch senkrecht zu dem Mittel­ punkt der optischen Achse liegt. Das System und das Verfahren verwenden einen optisch lichtdurchlässigen Zylinder, in dem der Spiegel untergebracht wird. Ein Vorteil besteht in dem Wegfall von Verlusten durch Luftwiderstand, da ein optisch glattflächiger Zylinder verwendet wird. Luftwiderstand entsteht durch eine un­ ebene Oberfläche und beschränkt die Drehgeschwindig­ keiten nach oben, erfordert mehr Antriebsenergie bei einer gegebenen Geschwindigkeit und erzeugt Turbulenzen und Vibrationen, die nachteilig für die optische Klar­ heit eines Systems sind.

Ein optisch glattflächiger Zylinder stellt einen ver­ nachlässigbaren Luftwiderstand dar, der weit höhere Drehgeschwindigkeiten zuläßt, wodurch sich schnellere Abtastraten erzielen lassen. So wird der Energiever­ brauch auf einem Minimum gehalten. Es ist keine Notwen­ digkeit mehr gegeben, das System in einer kostspieligen und voluminösen Vakuumvorrichtung anzuordnen. Folglich wird die Drehgeschwindigkeit in der Atmosphäre nach oben hin lediglich auf der Basis der mechanischen Festigkeit des zur Herstellung des Zylinders verwende­ ten Materials und nicht durch den Luftwiderstand be­ schränkt.

Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines Zylinders liegt in der verbesserten Optik. Dies ist ein Vorteil in zweierlei Hinsicht. Der erste besteht darin, einen Zylinder mit einer Fläche von optischer Qualität zu verwenden. Auf diese Weise wird der Zylinder selbst zum Linsenbestandteil innerhalb des Abtastsystems, wodurch die Anforderungen an die optischen Eintrittgeräte ver­ einfacht werden. In einfacheren Anwendungsbereichen der vorliegenden Erfindung ist aufgrund der optischen Eigenschaft des Zylinders keine Nach-Abtastoptik erfor­ derlich. Der zweite optische Vorteil besteht darin, daß ein Zylinder die Verwendung eines Spiegels zuläßt, der mit der durch die Drehachse des Zylinders verlaufenden Spiegelebene ausgerichtet ist. Ein axial angeordneter Spiegel gestattet, daß der Eintrittsstrahl um die Dreh­ achse symmetrisch ist. Diese Reflexionssymmetrie sorgt für einen ortsfesten Ursprungspunkt für den Abtast­ strahl und macht eine komplizierte optische Nach-Ab­ tastkorrektur zum Ausgleich für die Ursprungsbewegung überflüssig.

Claims (10)

1. Abtastsystem mit einem optischen Drehspiegel, mit:

• - mindestens einer Strahlungsenergiequelle (135),
• - einem Eintrittabbildungsmechanismus zum Vor­ fokussieren der Strahlungsenergie zu mindestens einem Eintrittsstrahl (136),
• - einer Drehspiegelvorrichtung zum Reflektions­ verändern der Richtung des mindestens einen Eintrittsstrahls (136) und
• - einem Austrittabbildungsmechanismus zum Fokus­ sieren mindestens eines reflektierten Eintritt­ strahls (137) zu mindestens einem Austrittab­ taststrahl (150),
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Spiegelvorrichtung einen Zylinder (130), der aus einem für den mindestens einen Eintrittsstrahl (136) optisch lichtdurchlässigen Material besteht und eine Spiegelfläche (140) aufweist, die derart angeordnet ist, daß die Spiegelfläche (140) enthaltende Ebene den Zylinder (130) entlang einer Drehachse (138) teilt, und
• - daß der Austrittabbildungsmechanismus eine ein­ stückig als die Außenfläche (148) des Zylinders (130) ausgebildete Linse aufweist, die den min­ destens einen reflektierten Eintrittsstrahl (137) in den mindestens einen Austrittabtast­ strahl (150) fokussiert.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (210) zwei gleiche Halbzylinder (212, 214) aufweist, die jeweils eine spiegelnde planare Fläche (220) in einer Ebene aufweisen, die den Zylinder (210) entlang der Drehachse (222) derart teilt, daß, wenn die beiden Halbzylinder (212, 214) miteinander verbunden sind, der Zylinder (210) zwei in entgegengesetzte Richtungen orien­ tierte Spiegelflächen (220) aufweist.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelvorrichtung zwei Spiegelflächen (140) aufweist, so daß bei jeder Drehung der Spie­ gelvorrichtung für jeden Eintrittabbildungsmecha­ nismus zwei Abtastaustrittsstrahlen (150) erzeugt werden.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittabbil­ dungsmechanismus jeden Eintrittsstrahl (130) symme­ trisch um die Drehachse (138) positioniert.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittabbil­ dungsmechanismus eine Linse (132) zum Vorfokussie­ ren der Strahlungsenergie entlang der Drehachse (138) aufweist, um sphärische Aberration zu besei­ tigen und eine Verschiebung entlang der Drehachse (138) einzuschränken.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittabbil­ dungsmechanismus und der Austrittabbildungsmecha­ nismus mehrere Eintrittabbildungslinsen (132) bzw. Austrittabbildungslinsen (180) aufweisen, die ab­ wechselnd um den Umfang des Zylinders (130) oder parallel zur Drehachse (138) des Zylinders (130) angeordnet sind, um die Anzahl der Austrittabtast­ strahlen (150) zu erhöhen.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Strah­ lungsenergiequellen (135) gleich der Anzahl der Eintrittabbildungslinsen (132) ist.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelvorrichtung und der Austrittabbildungsmechanismus einen sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegenden Brenn­ punkt des Austrittabtaststrahls (150) auf einer Bildebene (134) bilden.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Eintritt­ abbildungsmechanismus oder der Austrittabbildungs­ mechanismus ein externes Linsenuntersystem (132, 180, 226, 228, 230 oder 232) aufweisen.

10. Verfahren zur Verbesserung der Abtastrate unter Beibehaltung einer konstanten Brennpunktgeschwin­ digkeit eines Abtastsystems (100) mit einem op­ tisch reflektierenden, mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Spiegel, wobei das Abtastsystem auf­ weist:

• - eine Energiequelle (135),
• - einen optischen reflektierenden Spiegel (140) und
• - einen optisch lichtdurchlässigen, mit Hochge­ schwindigkeit um eine Drehachse (138) drehbaren Zylinder (130) zur Aufnahme des Spiegels (140), gekennzeichnet durch die fol­ genden Schritte:
• - Vorsehen einer einstückig als Außenfläche (148) des Zylinders (130) ausgebildeten Austrittabbil­ dungslinse,
• - Positionieren des Spiegels (140) in dem Zylin­ der (130) derart, daß eine Ebene des Spiegels (140) parallel zu und durch die Drehachse (138) des Zylinders (130) verläuft, und
• - Drehen des Zylinders (130) und des Spiegels (140) relativ zu der Energiequelle (135) der­ art, daß ein Energiestrahl (136) von der Ener­ giequelle (135) von einem definierten Ursprung, der auf der Drehachse (138) des Spiegels (140) zentriert ist, reflektiert wird und durch die Austrittabbildungslinse hindurchgeht, welche den Strahl (150) zu einem sich bewegenden Brennpunkt auf einer Bildebene (134) fokus­ siert.