DE60311025T2

DE60311025T2 - Abbildungssystem für eine optische Rastervorrichtung

Info

Publication number: DE60311025T2
Application number: DE60311025T
Authority: DE
Inventors: Ltd. Hiroyuki Fuji Photo Film Co. Ashigarakami-gun Karasawa
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2023-03-04
Also published as: JP3957153B2; EP1345063A3; DE60311025D1; EP1345063B1; US6914727B2; JP2003255224A; EP1345063A2; US20030164446A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Abbildungsoptik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches System bildet ein linienförmiges Bild, welches sich in einer Hauptabtastrichtung eines zweidimensionalen Bildes erstreckt, als ein aufgerichtetes Bild mit einer Vergrößerung von „Eins" in der Hauptabtastrichtung ab.
Beschreibung des Standes der Technik
Wenn gewisse Arten von Leuchtstoff einer Strahlung ausgesetzt werden, so speichern sie einen Teil der Strahlungsenergie. Wenn dann der Leuchtstoff nach der Strahlungsexposition einer Anregungsstrahlung exponiert wird, beispielsweise in Form von sichtbarem Licht oder einem Laserstrahl, so wird von dem Leuchtstoff im Verhältnis zu der gespeicherten Strahlungsenergie Licht abgegeben. Ein Leuchtstoff mit solchen Eigenschaften wird allgemein als „anregbarer Leuchtstoff" bezeichnet. Im vorliegenden Zusammenhang wird das von dem anregbaren Leuchtstoff bei dessen Anregung abgegebene Licht als „angeregte Emission" bezeichnet. In die Praxis umgesetzt in Form der CR (Computed Radiography) wurde ein Strahlungsbildaufzeichnungs-/-wiedergabesystem, bei dem ein anregbares Leuchtstoffblatt (ein Flachstück mit einer Schicht aus einem anregbaren Leuchtstoff) einer Strahlung ausgesetzt wird, die durch ein Objekt hindurchgegangen ist, beispielsweise einen menschlichen Körper, um ein Strahlungsbild des Objekts auf dem anregbaren Leuchtstoffblatt zu speichern. Ein Anregungslichtstrahl, zum Beispiel ein Laserstrahl, wird dann dazu gebracht, das anregbare Leuchtstoffblatt abzutasten, wozu der Anregungslichtstrahl über das anregbare Leuchtstoffblatt in einer Hauptabtastrichtung streicht, während das anregbare Leuchtstoffblatt in einer Hilfs- oder Nebenabtastrichtung transportiert wird, die rechtwinklig zu der Hauptabtastrichtung verläuft. Die dann von dem anregbaren Leuchtstoffblatt abgegebene angeregte Emission wird Pixel für Pixel photoelektrisch erfaßt, um ein Bildsignal (ein Strahlungsbildsignal) zu erhalten, anschließend wird ein Strahlungsbild des Objekts in Form eines sichtbaren Bilds anhand des Strahlungsbildsignals auf einem Aufzeichnungsträger, beispielsweise einem photographischen Film, oder einer Anzeigevorrichtung, beispielsweise einer hochauflösenden Kathodenstrahlröhre (CRT) wiedergegeben.
In der Strahlungsbildauslesevorrichtung, die in dem Bildaufzeichnungs-/-wiedergabesystem verwendet wird, wurde, um die Lesezeit ebenso zu verringern wie die Gesamt-Baugröße der Vorrichtung und die Kosten für die Anlage, die Verwendung einer linienförmigen Lichtquelle vorgeschlagen, in Verbindung mit einer aufrichtenden Abbildungslinse und einem Liniensensor, um die angeregte Emission photoelektrisch zu lesen und ein Bildsignal zu gewinnen. Beispielsweise wird ein sich in einer Hauptabtastrichtung erstreckender linearer Anregungslichtstrahl auf das anregbare Leuchtstoffblatt projiziert, welches in einer Nebenabtastrichtung läuft, und die von dem linearen oder linienförmigen Teil des anregbaren Leuchtstoffblatts, der mit dem linearen Anregungslichtstrahl belichtet wird, abgegebene Emission wird auf einen Liniensensor abgebildet, der eine Mehrzahl von photoelektrischen Wandlerelementen enthält, die in der Hauptabtastrichtung angeordnet sind. Das Abbilden geschieht mit einer vergrößerungsfreien Aufrecht-Abbildungslinse zur, Schaffung eines Aufrecht-Bilds mit einer Vergrößerung von „Eins". Vergleiche beispielsweise die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 1(1989)-101540.
Als vergrößerungsfreie Aufrecht-Abbildungslinse wurde ein Linsen-Array mit einem Brechungsindexprofil vorgeschlagen, welches eine Mehrzahl von röhrchenförmigen Linsen (Selfoc Linse^®) aufweist, wobei jede Linse ein Brechungsindexprofil in radialer Richtung aufweist und die Linsen in der Hauptabtastrichtung angeordnet sind (US-A-6 429 977).
Allerdings kann ein solches Linsen-Array vom Brechungsindexprofil-Typ mit mehreren Zylinderlinsen kein ausreichend großes Brechungsindexprofil haben (Differenz zwischen maximalem und minimalem Brechungsindex) in radialer Richtung, und es ist schwierig, die Apertur zu vergrößern, was zu einer beschränkten NA (numerischen Apertur) und zu einem unbefriedigenden Lichtsammel-Wirkungsgrad führt.
Selbst wenn man das Brechungsindexprofil verstärken kann, ergibt sich das Problem, daß die Auflösung in der Hauptabtastrichtung, in welcher das Bild in aufrechtem Zustand erzeugt wird, bei einer Einheits-Verstärkung schlechter wird, wenn man die NA erhöht, um vorzugsweise den Lichtsammelwirkungsgrad zu steigern, weil das Brechungsindexprofil gleichzeitig sowohl in der Haupt- als auch in der Nebenabtastrichtung größer wird.
Gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die JP 06 208 081 eine Abbildungsoptik, in der mehrere Brechungsindexprofil-Linsen vom Zylinderlinsentyp vorgesehen sind.
Die US 4 844 589 A zeigt eine Slab-Linse mit einer Brechungsindexverteilung in nur einer Richtung der Linse. Diese Slab-Linse dient zum Kollimieren von Licht von einem Halbleiterlaser und wird als Einzellinse eingesetzt. Die Schrift diskutiert eine für ein elektronisches Kopiergerät verwendete Linse, bei der es sich um eine Selfoc-Linse handelt, anders ausgebildet als eine Slab-Linse.
Die US 6 115 187 A zeigt eine Bildlesevorrichtung, in der ein Linsen-Array verwendet wird. Das Linsen-Array besitzt mehrere Gradientenindex-Linsenelemente.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die obigen Erwägungen und Erläuterungen ist es Hauptziel der Erfindung, eine Abbildungsoptik zu schaffen, die den Lichtsammelwirkungsgrad steigern kann, ohne gleichzeitig die Auflösung in der Hauptabtastrichtung zu beeinträchtigen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Abbildungsoptik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen.
Das „zweidimensionale bild" kann ein beliebiges Bild sein, solange es sich in zwei Dimensionen erstreckt. „Ein zweidimensionales Bild" umfaßt beispielsweise ein auf dem oben erwähnten anregbaren Leuchtstoffblatt aufgezeichnetes Strahlungsbild, ein durch eine Mehrzahl zweidimensional angeordneter Flächen gebildetes Bild (zum Beispiel durch Fluoreszenzmarken gebildet) und dergleichen.
Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Der Ausdruck „es ist eine Lichtabschirmstruktur vorgesehen" bedeutet zum Beispiel das Anordnen eines Lichtabschirmelements zwischen den Brechungsindexprofiltyp-Optikelementen oder das Anbringen eines lichtabschirmenden Anstrichs an dem Element selbst. Ein solcher lichtabschirmender oder Lichtschutz-Anstrich kann auf das Element aufgebracht werden, nachdem die Oberfläche aufgerauht wurde.
In den erfindungsgemäßen Abbildungssystemen ist es bevorzugt, wenn die Differenz zwischen maximalem und minimalem Brechungsindex nicht kleiner als 0,02 und nicht größer als 0,2 ist.
Weiterhin kann jedes Brechungsindexprofiltyp-Optikelement durch ein Paar axialer Linsen gebildet werden, die jeweils ein Brechungsindexprofil besitzen, bei dem der Brechungsindex sich von einem Ende zum anderen Ende verringert, und die Linsen an ihren Enden mit dem höheren Brechungsindex miteinander verbunden sind.
In diesem Fall sind die paarweisen axialen Linsen hergestellt durch Aufschneiden in zwei axiale Linsen entlang einer Ebene, die sich in der Richtung des Brechungsindexprofils erstreckt. Wenn die axialen Linsen durch einen Klebstoff miteinander verbunden werden, ist es bevorzugt, daß die Klebstoffverbindung nicht dicker ist als 200 μm und der Brechungsindex n der Klebstoffverbindung der Formel –0,02 ≤ n – ng ≤ 0,1genügt, wobei n_g den Brechungsindex der paarweisen axialen Linsen an dem Kontaktbereich der Klebstoffverbindung bedeutet.
In der erfindungsgemäßen Abbildungsoptik können die Aperturen der Linsen größer und kann der Brechungsindexgradient schärfer ausgeprägt sein als bei der herkömmlichen Abbildungsoptik mit zylindrischen Brechungsindexprofil-Linsen. Im Ergebnis läßt sich die numerische Apertur vergrößern, der Lichtsammelwirkungsgrad läßt sich steigern. Da weiterhin die numerische Apertur in Hauptabtastrichtung bei jedem der optischen Brechungsindexprofiltyp-Elemente kleiner ist als die numerische Apertur in Nebenabtastrichtung des optischen Kondensorsystems, läßt sich der Lichtsammelwirkungsgrad ohne Beeinträchtigung der Auflösung in der Hauptabtastrichtung verbessern.
Die Abbildungsoptik gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ermöglicht, daß die numerische Apertur vergrößert und der Lichtsammelwirkungsgrad verbessert werden kann wie bei der Abbildungsoptik gemäß der Erfindung. Da außerdem eine Lichtabschirmstruktur zwischen den optischen Brechungsindexprofil-Elementen vorhanden ist, läßt sich der Lichtsammelwirkungsgrad verbessern, ohne daß es zu einer Beeinträchtigung der Auflösung in der Hauptabtastrichtung kommt.
Wenn die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Brechungsindex nicht kleiner als 0,02 und nicht größer als 0,2 in optischen Abbildungssystemen gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung wird, lassen sich der Lichtsammelwirkungsgrad und die Auflösung in der Hauptabtastrichtung gut ausbalancieren.
Wenn außerdem jedes optische Brechungsindexprofilelement durch ein Paar axialer Linsen gebildet wird, von denen jede ein Brechungsindexprofil besitzt, bei dem der Brechungsindex von dem einen zum anderen Ende hin verkleinert wird, und die an ihren Seitenenden mit höherem Brechungsindex miteinander verbunden sind, können die Abbildungsoptiken gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung in einfacher Weise gefertigt werden.
Wenn das Paar axialer Linsen durch Zweiteilen einer axialen Linse entlang einer Ebene gebildet werden, die in der Richtung des Brechungsindexprofils verläuft, läßt sich eine Fehlanpassung des Brechungsindex an der Verbindungsstelle der paarweisen axialen Linsen vermeiden.
Werden die axialen Linsen durch Klebstoff miteinander verbunden, so ist die Klebstoffverbindung in der Dicke nicht größer als 200 μm, und der Brechungsindex n der Klebstoffverbindung erfüllt die Formel –0,02 ≤ n – n_g ≤ 0,1, wobei n_g den Brechungsindex der paarweisen axialen Linsen im Kontaktbereich mit der Klebstoffverbindung darstellt, wobei eine Störung der Abbildungseigenschaften durch interne Totalreflexion auch an der Klebstoffverbindung verhindert werden kann und gleichzeitig die Entstehung eines Artefakts aufgrund einer Verschiebung des optischen Wegs an der Klebstoffverbindung unterbunden werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Strahlungsbild-Lesevorrichtung unter Verwendung einer Abbildungsoptik gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 ist eine Seitenansicht der in 1 gezeigten Strahlungsbild-Lesevorrichtung,
3A und 3B sind eine Seiten- bzw. eine Frontansicht einer Abbildungsoptik, die in der Strahlungsbild-Lesevorrichtung verwendet wird,
4 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Brechungsindexprofil-Elements, welches in der in 3 gezeigten Abbildungsoptik verwendet wird,
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Axiallinse, die in dem in 4 gezeigten optischen Brechungsindexprofil-Element verwendet wird,
6 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Fertigen eines Paares von axialen Linsen,
7 ist eine Ansicht zum Veranschaulichen der Beziehung zwischen dem Brechungsindex der Axiallinsen und dem Brechungsindex der Klebstoffverbindung,
8 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung der Abbildung, wenn eine nicht-asphärische Linse als die Zylinderlinse verwendet wird,
9 ist eine schematische Ansicht einer Modifizierung des optischen Abbildungssystems bei Verwendung einer asphärischen Linse als Zylinderlinse,
10A ist eine Seitenansicht, die teilweise in Querschnittdarstellung eine weitere Abwandlung der Abbildungsoptik darstellt,
10B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 10A,
11A und 11B sind eine Seiten- bzw. eine Frontansicht zur Veranschaulichung. einer Abwandlung der in 1 gezeigten Strahlungsbild-Lesevorrichtung,
12 ist eine Ansicht zum Veranschaulichen des in der in den 11A und 11B gezeigten Strahlungsbild-Lesevorrichtung verwendeten optischen Elementen-Arrays im einzelnen,
13 ist eine Ansicht zum Veranschaulichen des in der in den 11A und 11B gezeigten Strahlungsbild-Lesevorrichtung verwendeten Zeilensensors, und
14 zeigt schematisch die Anordnung der Zeilensensoren, wenn angeregte Emission auf ein Paar Zeilensensoren abgebildet wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In den 1 und 2 enthält eine Strahlungsbild-Lesevorrichtung unter Verwendung einer Abbildungsoptik gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Anregungslicht- Projektionseinrichtung 10, die auf ein anregbares Leuchtstoffblatt 1 einen linienförmigen Anregungslichtstrahl projiziert, der sich in Pfeilrichtung X (Hauptabtastrichtung) erstreckt, während das anregbare Leuchtstoffblatt 1 in Pfeilrichtung Y (Nebenabtastrichtung) rechtwinklig zu der Hauptabtastrichtung bewegt wird, und einen Zeilen- oder Liniensensor 20, umfassend eine Mehrzahl photoelektrischer Wandlerelemente, die in der Hauptabtastrichtung angeordnet sind, um linienförmige angeregte Emission zu empfangen, die von dem anregbaren Leuchtstoffblatt 1 bei Belichtung mit dem Anregungslichtstrahl abgegeben wird, und eine Abbildungsoptik 30, die sich zwischen dem anregbaren Leuchtstoffblatt 1 und dem Zeilensensor 20 befindet, um die linien- oder zeilenförmige angeregte Emission aus dem anregbaren Leuchtstoffblatt 1 auf die Lichtempfangsfläche 21 des Zeilensensors 20 abzubilden.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält die Abbildungsoptik 30 eine Zylinderlinse 33, ein Linsen-Array mit Linsen vom biaxialen Brechungsindexprofiltyp (im folgenden auch als Brechungsindexprofil-Linsenarray bezeichnet) 32 und eine Zylinderlinse 34, die in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des anregbaren Leuchtstoffblatts 1 zwischen diesem und dem Zeilensensor 20 angeordnet sind.
Wie in den 3A und 3B zu sehen ist, ist das biaxiale Linsen-Array vom Brechungsindexprofiltyp, 32, ein vergrößerungsfreies optisches Aufrecht-System mit einer Mehrzahl von optischen Brechungsindexprofil-Elementen 32a, die in der Hauptabtastrichtung X angeordnet sind. Jedes optische Element 32a ähnelt einem rechteckigen Prisma der in 4 dargestellten Form und besitzt einen Brechungsindexgradienten, wonach sich der Brechungsindex allmählich in Richtung der einander abgewandten Enden X1 und X2 ausgehend von der Mitte C verringert, während ein konstanter Brechungsindex in der Nebenabtastrichtung Y und einer Z-Richtung herrscht, rechtwinklig zur X-Y-Ebene.
Das optische Element 32a wird gebildet durch ein Paar axialer Linsen 32b, die in 5 gezeigt sind. Die axiale Linse 32b besitzt einen Brechungsindexgradienten, wonach der Brechungsindex sich allmählich verringert, ausgehend von einem Ende a in Richtung des anderen Endes b, während ein konstanter Brechungsindex in der Nebenabtastrichtung Y und in der Z-Richtung vorhanden ist. Gebildet wird das optische Element 32a durch Verbinden eines Paares axialer Linsen 32b mit ihren Seiten höheren Brechungsindex' a.
Durch Herstellen des optischen Elements 32a in der oben beschriebenen Weise erhöht sich der Freiheitsgrad in der Apertur und im Brechungsindexgradienten, und die Fertigung des optischen Elements 32a wird vereinfacht. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist die Differenz zwischen dem maximalen Brechungsindex in der Mitte und dem kleinsten Brechungsindex an den einander abgewandten Enden nicht kleiner als 0,02 und nicht größer als 0,2, so daß der Lichtsammelwirkungsgrad und die Auflösung in der Hauptabtastrichtung X gut miteinander ausbalanciert sein können.
Es ist bevorzugt, wenn das optische Element 32a aus einem Paar axialer Linsen 32f und 32g gebildet ist, die ihrerseits hergestellt sind durch Auftrennen oder Schneiden einer axialen Linse 32e in zwei Teile gemäß 6, wobei die axiale Linse ein Brechungsindexprofil besitzt, bei dem der Brechungsindex sich von einem Ende a in Richtung des anderen Endes b verringert, hingegen in der Nebenabtastrichtung und in der Z-Richtung entlang einer sich in Richtung des Brechungsindexprofils erstreckenden Ebene einen konstanten Brechungsindex besitzt. Indem man auf diese Weise ein Paar axialer Linsen 32f und 32g aus einer einzelnen axialen Linse 32e erhält und ein optisches Element 32a dadurch bildet, daß man die Paare axialer Linsen 32f und 32g an ihren Enden auf der Seite des höheren Brechungsindex, a, mit Klebstoff verbindet, läßt sich eine Fehlanpassung des Brechungsindex an der Verbindungsstelle zwischen den paarweisen axialen Linsen vermeiden.
Wenn die axialen Linsen 32b mit Klebstoff verbunden werden, ist es bevorzugt, wenn der Brechungsindex n der Klebstoffverbindung 32c (7) die Formel –0,02 ≤ n – n_g ≤ 0,1 erfüllt, wobei n_g der Brechungsindex der paarweisen axialen Linsen in den Bereich in Berührung mit der Klebstoffverbindung 32c ist. Hierdurch läßt sich verhindern, daß Licht mit interner Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen der Klebstoffverbindung 32c und den axialen Linsen 32b reflektiert wird und die Abbildungseigenschaften gestört werden. Außerdem wird verhindert, daß Licht, welches durch die Grenzflächen gelangt, die Abbildungseigenschaften dadurch stören, daß es zu einer optischen Wegverschiebung an der Klebstoffverbindung 32c kommt. Der Grund hierfür wird weiter unten im einzelnen erläutert.
Bei n ≥ n_g kann es zu keiner inneren Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der axialen Linse 32b und der Klebstoffverbindung 32c kommen. Abhängig vom Einfallwinkel des Lichts aus der axialen Linse 32b zu der Klebstoffverbindung 32c und der Dicke dieser Klebstoffverbindung 32c kann allerdings eine Verschiebung des optischen Wegs vorkommen, was die Auflösung beeinträchtigt.
Der Betrag y der Verschiebung des optischen Wegs kann in folgender Weise ermittelt werden: wenn der Einfallwinkel des Lichts aus der axialen Linse 32b in die Klebstoffverbindung 32c mit θ1 bezeichnet wird, der Austrittswinkel an der Klebstoffverbindung 32c mit θ2 bezeichnet wird, und die Dicke der Klebstoffverbindung 32c gemäß 7 den Wert x hat, so errechnet sich der Betrag y der Verschiebung des optischen Wegs durch folgende Formel (1): y = x × tanθ2 (1)wobei θ2 = sin–1[(ng/n) × sinθ1] (2).
Um einen Einfluß der Verschiebung des optischen Wegs auf die Auflösung zu vermeiden, ist es bevorzugt, wenn der Betrag y der optischen Wegverschiebung nicht mehr als 300 μm beträgt. Das heißt, die Dicke x der Klebstoffverbindung 32c sollte betragen: x ≦ 300μm/tanθ2 (3).
Hieraus folgt, daß der Einfluß auf die Auflösung größer wird, wenn der Einfallwinkel θ1 des Lichts aus der axialen Linse 32b in die Klebstoffverbindung 32c kleiner wird. Da der Maximalwert von θ1 von der numerischen Apertur NA der Linse abhängt, so beträgt beispielsweise dann, wenn n – n_g den Wert 0,1 hat, θ1 etwa 64° (dies wird weiter unten näher erläutert).
Wenn also n_g/n im wesentlichen gleich 1,7/1,8 ist, ergibt sich aus den Formeln (2) und (3) die Beziehung x ≤ etwa 187 μm.
Wenn die Dicke der Klebstoffverbindung 32c nicht mehr als 200 μm beträgt, wird folglich der Einfluß auf die Auflösung unterdrückt, und die optische Leistungsfähigkeit kann auf einem hohen Niveau gehalten werden, wenn n – n_g ≤ 0,1.
Der Grund dafür, warum θ1 etwa 64° ist, wenn n – n_g den Wert 0,1 hat, ist folgender: unter der Annahme, daß das Brechungsindexprofil n(x) den durch die Formel (4) angegebenen Verlauf hat, gilt n(x) = ng{1 – (A/2)x2} (4),wobei n_g den Brechungsindex auf der Achse darstellt (der Brechungsindex auf der Seite höheren Brechungsindex' der axialen Linse 32b), A die Brechungsindex-Verteilungskonstante ist und x der Abstand von der Mitte (dem Ende der Seite mit höherem Brechungsindex der axialen Linse 32b) ist, gemessen in der Hauptabtastrichtung X, wobei der maximale Einfallwinkel θ0 (7) durch folgende Formel (5) dargestellt wird: θ0 = ng·A1/2·x0 (5)wobei x0 den Durchmesser der Linse darstellt (die Breite der axialen Linse 32b in der Hauptabtastrichtung X). Wenn n_g = 1,7 und die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Brechungsindex = 0,2, so beträgt der maximale Einfallwinkel θ0 47°. (A = 2(1 – n(x0)/n_g/x0²) aus der Formel (4). Wenn dieser Wert A in die Formel (5) eingesetzt wird, erhält man θ0 = n_g{2(1 – n(x0)/n_g)}^1/2. Damit erhält man: θ0 = 1,7{2(1 – 1,5/1,7)}^1/2 = 0,824 RAD = 47°.
Wegen θ0' = 26° aufgrund der Brechung in der axialen Linse 32b beträgt θ1 in der axialen Linse 32b = 90° – 26° = 64°.
Wenn n ≤ n_g wird Licht durch interne Totalreflexion reflektiert, wenn der Einfallwinkel θ1 nicht kleiner als ein vorbestimmter Winkel ist. Wenn beispielsweise n/n_g = 1,68/1,7, beträgt der kritische Winkel etwa 81°, und nahezu sämtliches Licht wird nicht durch interne Totalreflexion reflektiert, sondern gelangt zur Abbildung. Obschon Licht mit einem Einfallwinkel von nicht weniger als 81 ° durch interne Totalreflexion reflektiert wird, ist solches Licht naturgemäß nahezu linear, und sein optischer Weg wird als Spiegelbild selbst dann abgebildet, wenn das Licht durch innere Totalreflexion reflektiert wird. Das heißt: wenn der Einfallwinkel nicht kleiner als 81 ° ist, sind Störungen durch interne Totalreflexion akzeptierbar. N anderen Worten: wenn n_g – n 0,02, wird der Einfluß auf die Auflösung unterdrückt, und die optische Leistungsfähigkeit bleibt hoch.
Streulicht L kann sich entlang der Klebstoffverbindung 32c durch das Lichtführungsphänomen gemäß 7 ausbreiten, was zu einem Artefakt führt. Die Erzeugung des Artefakts läßt sich unterbinden durch Schaffung eines Lichtabschirmelements am Lichtaustrittsende der Klebstoffverbindung 32c. Obschon bei der oben beschriebenen Ausführungsform ein Paar axialer Linsen mit einem Klebstoff verbunden werden, können die axialen Linsen beispielsweise auch durch optischen Kontakt oder durch Schweißen verbunden werden.
Wie in 3A zu sehen ist, sind die Zwischenräume zwischen den optischen Elementen 32a mit Lichtabschirmelementen 32d gefüllt. Durch diese Elemente werden die numerischen Aperturen NA für jedes optische Element 32a in der Hauptabtastrichtung X in geeigneter Weise beschränkt, und die Auflösung in Hauptabtastrichtung wird verbessert. Da nicht zur Abbildung gelangendes Licht von den Lichtabschirmelementen 32d absorbiert wird, läßt sich ein Unscharf-Werden aufgrund von Streulicht verhindern.
Obschon bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Zwischenräume zwischen den optischen Elementen 32a mit Lichtabschirmelementen ausgefüllt sind, kann statt dessen auch ein lichtabschirmender Anstrich auf die Grenzfläche zwischen der axialen Linse 32b und der Verbindung 32c aufgetragen werden. Ein solcher Lichtschutzanstrich kann auf die Grenzfläche nach deren Aufrauhen aufgetragen werden.
Die Zylinderlinsen 32 und 34, die ein optisches Kondensorsystem bilden, sind so angeordnet, daß sie Brechkraft in der Nebenabtastrichtung Y haben und in dieser Richtung Y divergentes Licht sammeln. Durch Verwenden einer Zylinderlinse als optisches Kondensorsystem läßt sich ein hoher Lichtsammelwirkungsgrad erhalten. Um den Lichtsammelwirkungsgrad zu steigern, ist es bevorzugt, wenn die Zylinderlinse sowohl an der Lichteintrittsseite als auch an der Abbildungsseite des Linsenarrays 32 nach den 3A und 3B vorhanden ist. Dennoch kann auch nur an der Lichteintrittsseite oder der Abbildungsseite des Linsenarrays 32 die Zylinderlinse angeordnet werden.
Die Anregungslicht-Projektionseinrichtung 10 enthält ein Laserdioden-Array 11 mit einer Mehrzahl von in der Hauptabtastrichtung X angeordneten Laserdioden zur Abgabe von linienförmigem Anregungslicht, welches sich in Hauptabtastrichtung X erstreckt, und eine Zylinderlinse 12, die das von dem Laserdioden-Array 11 emittierte Anregungslicht ausschließlich in der Nebenabtastrichtung konvergiert (sammelt).
Im folgenden wird die Arbeitsweise der in 1 gezeigten Strahlungsbild-Lesevorrichtung beschrieben.
Ein linien- oder zeilenförmiger Anregungslichtstrahl, der sich in der Hauptabtastrichtung X erstreckt, wird von der Projektionseinrichtung 10 auf das anregbare Leuchtstoffblatt 1 projiziert. Bei Belichtung mit dem Anregungslichtstrahl wird aus dem Blatt 1 linienförmige angeregte Strahlung emittiert, die in die Abbildungsoptik 30 eintritt.
Die in die Abbildungsoptik 30 eintretende angeregte Emission wird auf die Lichtaufnahmefläche 21 des Zeilensensors 20 in folgender Weise abgebildet: Die Abbildung in der Hauptabtastrichtung X durch die Abbildungsoptik 30 wird als erstes beschrieben. Da die Zylinderlinsen 33 und 34 keine Brechkraft zum Sammeln des Lichtbündels in der Hauptabtastrichtung X haben, können die Zylinderlinsen 33 und 34 als planparallele Platten bezüglich Licht aufgefaßt werden, welches sich in der Hauptabtastrichtung ausbreitet. Dementsprechend wird angeregte Strahlung, die von dem anregbaren Leuchtstoffblatt 1 emittiert wird und sich in Hauptabtastrichtung X ausbreitet, in der Hauptabtastrichtung gesammelt und auf die Lichtempfangsfläche 21 des Zeilensensors 20 ausschließlich durch die Brechkraft des Linsen-Arrays 32 abgebildet, wie in 3A zu sehen ist. Das heißt: die zeilenförmige stimulierte Emission L1 wird auf die Lichtempfangsfläche 21 des Zeilensensors 20 als aufrechtes vergrößerungsfreies Bild S1 in Hauptabtastrichtung X abgebildet.
Die Abbildung in der Nebenabtastrichtung Y durch die Abbildungsoptik 30 wird im folgenden beschrieben. Da das Linsen-Array 32 in der Nebenabtastrichtung einen konstanten Brechungsindex besitzt und keine Brechkraft zum Bündeln des Lichts in der Nebenabtastrichtung Y besitzt, läßt sich das Linsen-Array 32 bezüglich Licht, das sich in der Nebenabtastrichtung ausbreitet, als planparallele Platte verstehen. Folglich wird angeregte Emission aus dem Leuchtstoffblatt 1 in der Nebenabtastrichtung Y, welches auf die Lichtempfangsfläche 21 des Zeilensensors 20 gebündelt und abgebildet wird, nur durch die Brechkraft der Zylinderlinsen 33 und 34 gemäß 3B gebündelt und abgebildet.
Das Lichtbündel ϕ1, welches beiträgt zur Abbildung in Hauptabtastrichtung durch die Abbildungsoptik 30, ist beschränkt durch die numerische Apertur NA1 des optischen Elements 32a des Linsen-Arrays 32 nach 3A. Das Lichtbündel ϕ2, welches beiträgt zur Abbildung in der Nebenabtastrichtung der Abbildungsoptik 30, ist begrenzt durch die numerische Apertur NA2 der Zylinderlinsen 33 und 34, wie in 3B gezeigt ist. Obschon gilt, daß je größer die numerische Apertur NA1 des optischen Elements 32a ist, desto höher der Lichtsammelwirkungsgrad ist, verschlechtert sich die Auflösung, wenn die numerische Apertur NA1 des optischen Elements 32a zu groß ist. Folglich ist es bevorzugt, wenn die numerische Apertur NA1 des optischen Elements 32a unter Berücksichtigung des Lichtsammelwirkungsgrads in der Nebenabtastrichtung oder der numeri schen Apertur NA2 der Zylinderlinsen 33 und 34 bestimmt wird. Zu diesem Zweck wird die numerische Apertur NA1 des Linsen-Arrays 32 als vergrößerungsfreies Aufrecht-Optiksystem so eingestellt, daß sie kleiner ist als die numerische Apertur NA2 der Zylinderlinsen 33 und 34, bei denen es sich um ein optisches Kondensorsystem bei dieser Ausführungsform handelt.
Wenn die Abbildungsoptik 30 in der oben beschriebenen Weise ausgestaltet ist, wird ein vergrößerungsfreies aufrechtes Bild mit gut ausgewogener Lichtsammel-Wirkung in Bezug auf die Auflösung auf der Lichtaufnahmefläche 21 des Zeilensensors 20 gebildet.
Das lineare Bild der auf die Lichtaufnahmefläche 21 des Zeilensensors 20 abgebildeten angeregten Emission wird durch photoelektrische Umwandlung seitens der photoelektrischen Wanderelemente des Zeilensensors 20 als ein Bildsignal ausgegeben.
Der zeilenförmige Anregungslichtstrahl, der sich in der Hauptabtastrichtung erstreckt, wird auf das anregbare Leuchtstoffblatt 1 projiziert, während dieses in der Nebenabtastrichtung transportiert wird, wodurch der Anregungslichtstrahl zweidimensional auf das Blatt 1 projiziert wird und das zweidimensionale Strahlungsbild von dem Blatt gelesen wird.
In der Abbildungsoptik nach der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Linsen-Array 32 vom Brechungsindexprofiltyp durch eine Mehrzahl optischer Elemente 32a gebildet, die jeweils ein Brechungsindexprofil besitzen, bei dem sich der Brechungsindex allmählich ausgehend von der Mitte zu seinen Enden verringert, angeordnet in der Hauptabtastrichtung X, wobei ein Paar Zylinderlinsen 33 und 34 vorhandne ist, die Brechkraft ausschließlich in der Nebenabtastrichtung besitzen. Diese befinden sich auf der Lichteinfallseite und der Abbildungsseite des Linsen-Arrays 32. Die Apertur der Linse kann größer sein, und der Brechungsindexgradient kann steil verlaufen, so daß die numerische Apertur NA groß sein kann und sich der Lichtsammelwirkungsgrad verbessern läßt. Da die numerische Apertur des optischen Elements 32a in der Hauptabtastrichtung X kleiner ist als die der Zylinderlinsen 33 und 34 in der Nebenabtastrichtung Y läßt sich gleichzeitig Licht in der Hauptabtastrichtung X mit hohem Lichtsammelwirkungsgrad ohne Beeinträchtigung der Auflösung abbilden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform besitzen die Zylinderlinsen 33 und 34 keine asphärische Komponente. Wenn die Zylinderlinsen 33 und 34 keine asphärische Komponente besitzen, läßt sich die sphärische Aberration der Linsen 33 und 34 nicht korrigieren, und die von dem Leuchtstoffblatt 1 emittierte angeregte Strahlung läßt sich nicht genau auf die Lichtempfangsfläche 21 des Zeilensensors 20 abbilden. Das heißt: die angeregte Strahlung, die durch die Mitte der Zylinderlinsen 33 und 34 läuft, wird auf einen Punkt P1 auf der Rückseite der Lichtempfangsfläche 12 fokussiert, und die Strahlung, die durch die Peripherie der Zylinderlinsen 33 und 34 läuft, wird auf einen Punkt P2 auf der Vorderseite der Lichtempfangsfläche 21 fokussiert, so daß ein lineares Bild der stimulierten Strahlung, welches über die Abbildungsoptik 30 abgebildet wird, verschwommen wird. Vermeiden läßt sich dies durch die Verwendung von asphärischen Zylinderlinsen in Form von Glas-Zylinderlinsen 51 und 52 und asphärischen Kunstharzlinsen 53 und 54, die den Zylinderlinsen 51 und 52 nach 9 überlagert sind.
Die Abbildungsoptik 30 kann fest an einer Seitenplatte 30 angebracht sein, welche die Flächen der Abbildungsoptik 30 außer der Lichteintrittsfläche und der Abbildungsfläche nach 10A und 10B abdeckt. Bevorzugt wird die Seitenplatte 70 aus einem Werkstoff gebildet, der stimulierte Emission abhält, die keinen Beitrag zur Abbildung leistet, oder stimulierte Lichtstrahlen abhält.
Wenn das Linsen-Array 32 und die Zylinderlinsen 33 und 34 an der Seitenplatte 70 befestigt sind, wird bevorzugt, daß der Arbeitsabstand d1 des Linsen-Arrays 32, der Arbeitsabstand d2 der Zylinderlinsen 33 und 34 und die Dicke d3 dieser Zylinderlinsen 33 und 34 folgende Formeln (6) oder (7) erfüllen. d3 × 3 > d1 – d2 > d3 (6) 3 > d1/d2 > 1.1 (7)
Bevorzugt werden das Linsen-Array 32 und/oder die Zylinderlinsen 33 und 34 aus einem Werkstoff hergestellt, der Anregungslicht sperrt. Im übrigen kann ein Film zum Sperren von Anregungslicht über einem Teil oder über der Gesamtfläche der Oberfläche des Linsen-Arrays 32 und/oder der Zylinderlinsen 33 und 34 angebracht werden.
Man kann auf der Lichteintrittsseite des Linsen-Arrays 32 eine Antireflexionsbeschichtung vorsehen, so daß das auf der Lichteintrittsfläche des Linsen-Arrays 32 reflektierte Licht nicht in das anregbare Leuchtstoffblatt zurückgelangt.
Als Linsen für das optische Lichtkondensorsystem können beispielsweise GRIN-Zylinderlinsen oder Binärlinsen anstelle der oben beschriebenen Zylinderlinsen verwendet werden.
Weiterhin ist es möglich, ein optisches Elementenarray 80 nach 11A oder 11B zu verwenden, so daß die angeregte Emission aus dem anregbaren Leuchtstoffblatt teilweise von einem ersten Zeilensensor 20 und teilweise von einem zweiten Zeilensensor 25 empfangen wird. Wie in 12 detailliert dargestellt ist, enthält das optische Elementenarray 80 eine Mehrzahl erster optischer Elemente 81, die angeregte Emission M durchlassen, und mehrere zweite optische Elemente 83 mit einer reflektierenden Fläche 82 zum Reflektieren angeregter Emission M. Die ersten und die zweiten optischen Elemente 81 und 83 sind abwechselnd in der Hauptabtastrichtung X angeordnet.
Sowohl der erste als auch der zweite Zeilensensor 20 und 25 enthält mehrere Sensorchips 20a (25a), wie in 13 gezeigt ist. Bezugszahl 20b (25b) bezeichnet effektive Flächen des Sensorchips 20a (25a), die für stimulierte Emission M empfindlich sind.
Wie in 14 gezeigt ist, befinden sich der erste und der zweite Zeilensensor 20 und 25 an solchen Stellen, daß die effektiven Flächen 20b des ersten Zeilensensors 20 und die effektiven Flächen 25b des zweiten Zeilensensors 25 stimulierte Emission M empfangen, die von verschiedenen Bereichen der linearen Flächen 90 des anregbaren Leuchtstoffs 1 emittiert werden, die mit dem linienförmigen Anregungslichtstrahl belichtet werden, wo bei stimulierte Emission M durch die ersten optischen Elemente 81 des Arrays 80 laufen und auf die effektiven Flächen 20b des ersten Zeilensensors 20 auftreffen, während stimulierte Emission M, die an den reflektierenden Flächen 82 der zweiten optischen Elemente 83 des optischen Elementenarrays 80 reflektiert wird, auf die effektiven Flächen 25b des zweiten Zeilensensors 25 abgebildet wird. Stimulierte Emission M von den Bereichen der linearen Flächen 90 des Blatts 1 entsprechend den Grenzen 35 zwischen den ersten und den zweiten optischen Elementen 81 und 83 wird teilweise von dem ersten Zeilensensor 20 und teilweise von dem zweiten Zeilensensor 25 aufgenommen. Durch Addieren der Signalkomponenten, die von beiden Zeilensensoren 20 und 25 ausgegeben werden, Pixel für Pixel in einer Signalverarbeitungseinrichtung oder dergleichen (nicht dargestellt), die an die Strahlungsbild-Lesevorrichtung angeschlossen ist, lassen sich die Beträge der von sämtlichen Pixeln detektierten angeregten Emission vergleichmäßigen.
Die erfindungsgemäße Abbildungsoptik läßt sich nicht nur bei den oben beschriebenen Strahlungsbild-Lesevorrichtungen verwenden, sondern auch bei anderen Vorrichtungen zum Lesen eines zweidimensionalen Bilds, beispielsweise solchen Bildern, in denen Fluoreszenz-Marken zweidimensional angeordnet sind.

Claims

Abbildungsoptik, die ein sich in einer Hauptabtastrichtung in einem zweidimensionalen Bild erstreckendes linienförmiges Bild zu einem aufrechten Bild mit der Vergrößerung Eins in der Hauptabtastrichtung (X) abbildet, wobei die Abbildungsoptik ein optisches vergrößerungsfreies Aufrechtsystem und ein optisches Sammelsystem (33, 34; 51-54), welches entlang der Hauptabtastrichtung auf der Lichteintrittsseite oder auf der Lichteintrittsseite und der Abbildungsseite des optischen Aufrechtsystems angeordnet ist und Brechkraft ausschließlich in Nebenabtastrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische vergrößerungsfreie Aufrechtsystem (30) aus einer Mehrzahl von optischen Elementen (32a) vom Brechungsindexprofiltyp besteht, die jeweils ein Brechungsindexprofil besitzen, bei dem der Brechungsindex in Richtung der einander abgewandten Enden nur in der Hauptabtastrichtung (X) ausgehend von deren Mitte verringert ist, angeordnet in der Hauptabtastrichtung, und wobei es nur ein einzelnes optisches Element (32a) vom Brechungsindexprofiltyp in einer Richtung (Z) rechtwinklig zu sowohl der Haupt- als auch der Nebenabtastrichtung (X, Y) gibt, wobei die numerische Apertur in der Hauptabtastrichtung jedes optischen Elements (32a) vom Brechungsindexprofiltyp kleiner ist als die numerische Apertur in der Nebenabtastrichtung (Y) des optischen Sammelsystems (33, 34; 51-54).
System nach Anspruch 1, bei dem eine Lichtabschirmstruktur (32d) zwischen den optischen Elementen (32a) vom Brechungsindexprofiltyp vorgesehen ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Differenz zwischen dem maximalen Brechungsindex und dem minimalen Brechungsindex jedes der optischen Elemente (32a) des vergrößerungsfreien optischen Aufrechtsystems (30) nicht kleiner als 0,02 und nicht größer als 0,2 ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jedes optische Element (32a) vom Brechungsindexprofiltyp gebildet wird durch ein Paar Linsenelemente (32f, 32g), die jeweils ein Brechungsindexprofil besitzen, bei dem der Brechungsindex ausgehend von einem Ende zum anderen verringert ist, und die an ihren Seitenenden mit höherem Brechungsindexprofil miteinander verbunden sind.