DE2250763C3 - Vorrichtung zur steuerbaren Ablenkung eines Lichtstrahls - Google Patents

Description

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeich- Oberflächenabtastungsvorrichtung mit einem perinet durch eine die Belichtung von zeichenförmi- odisch abgelenkten Abtaststrahl beschrieben, bei der gen Bereichen der abgetasteten Fläche (9) bewir- ein von einem beleuchteten Spalt ausgehender Lichtkende Vorrichtung zur Steuerung der die Inten- 60 strahl durch ein erstes fokussierendes Element über sitätsmodulation des Abtaststrahls bewirkenden ein Spiegelrad im Bildraum fokussiert wird und über Anordnung (3). zwei feststehende Spiegel und eine Zylinderlinse auf

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- der abzutastenden Fläche einen Lichtfleck erzeugt, kennzeichnet, daß die abgetastete Fläche (9) Bei keiner der in den oben aufgeführten Literaturdurch eine aus photoleitendem Material beste- 65 stellen beschriebenen Vorrichtungen wird die Seitenhende Trommel gebildet wird. Stabilität der Abtastspur durch besondere Maßnahmen gegen den Einfluß von Abweichungen der von

der Rotationsachse und den Spiegelflächen gebilde-

Winkel von ihren Sollwerten unempfindlich ge- ^tSa M. Eine besonders hohe Genauigkeit der Abtastist bei den oben aufgeführten Anwendungen ^h nicht zwingend notwendig, da das geforderte Λ-ainesvennögen, beispielsweise oei Fernseh- ZT pSiileabtastern, relativ große Toleranzen zu- ^a* Anders liegen die Verhältnisse aber bei Anwen-L pT wo die aufzulösenden Punkte in der Größenü? w von 1 um Hegen, wie das beispielsweise bei °_Λ rhLstunE und Aufzeichnung von Masken bei λ Herstellung von integrierten Schaltungen oder nnShen Speichern der Fall ist. Die in solchen £'? erforderliche Spurtreue und Konstanz der S des Abtaststrahls kann mit keiner der ebn Vorrichtungen erzielt werden, da mit den dazu erforderlichen engen ToIe- ^SrSt einem wirtschaftlich vertretbaren Auf-„rf nicht hergestellt werden können. Aber selbst SrVerwSdunΓ™ Spiegelrädern mit den erforderren eneen Toleranzen würde die Spurtreue des

£ff^r-^des"■^sy-

tion des Abtaststrahles vorgesehen, so können auf der abgetasteten rotierenden Trommel durch S«»inete zeitliche Intensitätsmodulation deii Abtaststrahls beliebige Figuren aufgezeichnet werden. Wird auf der Trommel eine lichtempfindliche Schicht befestigt oder über die Trommel ein mit einer lichtempfindlichen Schicht überzogener Aufzeichnungsträger geführt, so kann die erfindungsgemäße Anordnung als optischer Hochgeschwindigkeitsdrucker verwendet werden. Bei Verwendung einer mit einer photoleitenden Schicht beispielsweise Germanium, überzogenen Trommel können die durch den Abtaststrahl aufgezeichneten Muster bei Verwendung eines geeigneten Toners aut blattförmige Aufzeichnungsträger übertragen werden wie das beispielsweise bei elektrophotographischen Vervielfältigern der Fall ist.

Die Erfindung _W1rd anschließend, an Hand der Fi guren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die vereinfachte Darstellung eines Ausfuhao rungsbeispiels der Erfindung,

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von ihren Sollwerten.

Gemäß einem besonders vorteilhaften Ausfu rangsbeispie! der Erfindung _W1rd in einer zur Abtastnchtung Senkrechten Ebene durch eine zylindnschc oder torischc Linse ein heller lin.enform.ger Berech auf der ablenkenden spiegelnden Flache erzeugt. Durch die der ablenkenden spiegelnden Flache nachoeschaltcte zweite zylindrische oder torische Linse Ld die im weiteren Strahlverlauf angeordnete sphärische Linse wird der an der ablenkender, spiegelnden Fläche erzeugte linienförm.ge Bereich in,der Bildebene aJs Punkt fokussiert. Da dieser Punkt eine Abbildung des linienförmiger. leuchtenden 1Bereiches auf dem ablenkenden Spiegel ist, haben Abweichungen von der vorgeschriebenen Wmkellage der e.nzel-Ln ablenkenden spiegelnden Bereiche in bezug auf die Rotationsachse toVen^JgJ; förmigen Abbildung in dei Bild- bzw. Abtastebene senkrecht zur Abtastrichtung zur Folge^ Tastet der durch die ablenkenden Spiegel in einer Richtung ab-

«lenkte Lichtstrahl einen rotierenden Zylinder entfang einer Erzeugenden ab, ergibt «d.«ebe.^sp»
den Mnüttl

5° one

55 >

, sphärische Linse ausgebüdet ist und ^ _fokussiert. Die BiIde»"« Mattscheibe, als Pro-

SeSpfindliche Schicht oder als _Beobachi_ung einer Bildebene geausgebildet sein. Dabei kann es ^ϊ oder zylinderförmige EIe-

sicn ^eni

mente handehn. _tellten Ausführungsbei-

Bei dem ^{n b} _Un ^g _dnschen ⁸ _Linsen 5 und 7 so in be «™^Ü.™ «flektierende Fläche 6 ausgerichtet daß £ _{des reflekti}erten Strahls senkrecht zu ^o _zylindrische Linse5 weist zu

diesei^»™ _d| _Fläch; _{6 einen} Abstand auf, der ™t.^erena ^ _{Dje Hauptach d}

l^^n Linse liegt parallel zu den zylinderformi-ϊ£ uSSfllSen. D^finitionsgemäß liegt die Neben- ^n unsen ^ ^. _{Verwendung ei}ner

ach«^ senKre ^^ _{ausgegangen> daß die}

_Neben_achse voneinander versch.e-_{6 haben}, _um auf der reflektierenden g^f^S _{von der} Lichtquelle 1 ausgehenden Shtstrahl als einen linieren, parallel zur

Hauptachse liegenden leuchtenden Bereich abzubil- Erscheinung kann dadurch weitgehend unschädlich

den, so liegen die Verhältnisse bei Verwendung von gemacht werden, daß die zylindrischen und torischen

torischen Linsen entsprechend. numerischen Aperturen so gewählt werden, daß die

Die Linsen 5 und 7 können entweder beide als zy- Bewegung der reflektierenden Fläche kleiner ist als

lindrische oder beide als torische Linsen ausgebildet 5 die Schärfentiefe.

sein. Es ist aber auch möglich, eine dieser Linsen als In Fig. 3 ist eine Draufsicht der in Fig. 2 darge-

zylindrische und die andere als torische Linse auszu- stellten Anordnung wiedergegeben,

bilden. In F i g. 4 wird der Strahlenverlauf und die Wir-

Durch die Verwendung der beiden zylindrischen kungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung Linsen 5 und 7 ist es möglich, die Anforderungen an io nochmals veranschaulicht. Die in dieser Figur dardie Genauigkeit der Parallel-Lage der spiegelnden gestellte Anordnung besteht aus einer rotierenden reFlächen 6 des Polygonspiegels während des Betriebs flektierenden Räche 40, einer zylindrischen Luise 41, gegenüber einer herkömmlichen Anordnung, bei der einer sphärischen Linse 42 und einer Bildebene 43. die Toleranzen bezüglich der genauen Lage des Ab- Wird der rotierend Spiegl 40 beispielsweise um einen tastlichfleckes in der Bildebene 9 beispielsweise bei 15 Winkel Φ gekippt, so bildet der Hauptstrahl Pl mit ^±0>⁰¹²⁵ "V? i^fⁿ; ^um Größenordnungen herab- _{def ischen} Winkel^, zusetzen. Mit Hilfe der Zylinderlinsen ist es auch in ^r m ' einfacher Weise möglich, den Querschnitt des Ab- was eine vertikale Verschiebung des Lichtfleckes bei taststrahls in der Bildebene elliptisch zu machen. größerwerdendem horizontalen Abtastwinkel zur Liegt die Hauptachse des elliptischen Strahlquer- ao Folge hat. So hat beispielsweise die durch ein einschnittes senkrecht zur Ebene des reflektierten zelnes sphärisches Element mit einer Brennweite von Strahls, so kann ein guter Anschluß der nebeneinan- 38,10 cm und einer Brechzahl von 1,5 erzeugte Bildderliegenden Abtastlinien bei gleichzeitiger Übertra- ebene einen Radius von
gung hoher räumlicher Frequenzen in der Bildebene r = f · π = 38 10 cm · 1 5 = 57 15 cm
sichergestellt werden. »5

Aus F i g. 2 ist die Wirkungsweise der beiden zylin- Die durch diesen Radius bei y = 10,8 cm bedingte

drischen Linsen zu ersehen, durch die der Lichtstrahl Durchbiegung ist
auf einer der rotierenden reflektierenden Rächen in

einer Dimension abgebildet und anschließend wieder _>_ _ V¹⁰'⁸)* _ 116,6 _ ^ ₂mm

kollimiert wird. Das erste zylindrische Element 20 30 2r 2(57,15) 114,3 ' '
fokussiert den von einer Lichtquelle 21 kommenden

und eine Anordnung 22 zur Vergrößerung des Strahl- wobei y der lineare Abstand in der Zeichnungsebene

querschnittes und einen Modulator 23 durchsetzen- gemessen zwischen 0° und dem maximalen Bildfeld-

den Lichtstrahl auf einer drehbaren reflektierenden winkel ist (beispielsweise entlang der Linie 27,

Räche 24. Der an dieser Räche reflektierte Strahl 35 Fig. 3).

wird durch die zylindrische Linse 25 wieder kolli- Die durch die Neigung des Hauptstrahles verur-

miert. Die sphärische Linse 26 fokussiert den kolli- sachte vertikale Lichtfleckverschiebung am Rande

mierten Strahl auf der Bildebene 27. Der Strahl wird des Bildfeldes ist:
somit durch das erste zylinderförmige Element auf

der rotierenden reflektierenden Räche 24 als zur Ro- 40 jq ^ ^^ ,«qa

tationsebene parallelliegender Schlitz abgebildet. Das D = —- '—L = 7,9 μηι,

zweite zylindrische Element 25 nimmt diesen Strahl 7,5

auf und kollimiert ihn erneut, um ihn der sphärischen

Linse 26 zuzuführen. wobei tan 20' = der Tangens der doppelten Winkel-

Durch die Fokussierung des Strahls auf die reflek- 45 toleranz von 10', und 7,5 das Verhältnis der sphäri-

tierende Räche wird der auf die sphärische Linse sehen und zylindrischen Brennweiten m ist.

auffallende Strahl außerordentlich unempfindlich in Der Lichtfleck ist über dieses gekrümmte Bildfeld

bezug auf Änderungen des Winkels Φ zwischen der scharf eingestellt, da im vorliegenden Fall für die

Rotationsachse und der reflektierenden Fläche. Diese Schärfentiefe näherungsweise die Beziehung gilt
Verhältnisse werden in Fig. 4 sichtbar gemacht So- 5<»_{ό=± 2} A (//#)* = + 2 (· 6328 μ) (200)* « 50 mm,

lange der Winkel Φ bei der m Fig.4 dargestellten ^v *' — ^{v w}v"«v '^um"'

Anordnung so klein ist, daß der Strahl noch inner- wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtes,

halb der Apertur der zylindrischen Linse verbleibt, / die Brennweite der letzten abbildenden linse und

wird der Strahl kollimiert und fällt senkrecht auf die # der Durchmesser des Lichtstrahls im Bereich dei sphärische Linse. 55 abbildenden Linse ist

Die zulässige Winkeltoleranz wird durch die Tat- Bei einer im Verlaufe des an der ablenkenden resache begrenzt, daß der Hauptstrahl nach Verlassen flektierenden Räche reflektierten Strahles angeord der sphärischen Linse mit der optischen Achse einen neten torischen linse ist die Wirkung der Brechkraft-Winkel einschließt und daß diese Linse, sofern sie änderung bei einer Änderung des Einfallwinkels in nicht in geeigneter Weise korrigiert ist, eine Bildfeld- 60 Vergleich zu den Verhältnissen bei einer zyhndri· krümmung aufweist. Ein weiterer toleranzbegrenzen- sehen Linse kleiner. Bei einem zylindrischen Elemen der Faktor ist darin begründet, daß bei Drehspiegel- wird die bei senkrechtem Einfall wirksame Brechkraf anordnungen die zur Ablenkung erforderliche Win- Pa bei Vergrößerung des Einfallwinkels in der Ab keldrehung im allgemeinen nicht innerhalb der spie- tastebene verändert. Bei einem torischen Element trit gelnden Räche stattfindet. Das hat zur Folge, daß 65 dieser Effekt entweder überhaupt nicht oder nur ii die reflektierende Räche sich abwechselnd in und aus geringem Umfang auf.

dem Schärfenbereich bewegt, was eine Defokussie- Werden bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnunj

rung der endgültigen Abbildung zur Folge hat. Diese keine zylindrischen Linsen verwendet, so ist eine To

leranz des von den reflektierten Flächen und der Rotationsachse gebildeten Winkels von 2,4 · 10~⁵ Radian (5 Bogensekunden) zulässig, wenn die vertikale Lichtfleckverschiebung ±5%> eines 250 μηι im Durchmesser aufweisenden Lichtstrahles nicht überschritten werden soll. Werden zylindrische Linsen mit einer Brennweite von 50 mm und sphärische Linsen mit einer Brennweite von 38 · 10 cm verwendet, so wird die besagte Winkelioleranz auf 2,9 · 10^-:i Radian (10 Bogenminuten) vergrößert. Eine Winkeltolcranz von 5 Bogenminuten ist leicht zu erreichen und kann eine Genauigkeit der Lichtfleckbewegung von 5°/o liefern. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann daher die oben beschriebene Toleranz um den Faktor 50 vergrößert werden, so daß die konstruktiven Schwierigkeiten wesentlich herabgesetzt werden. Es ist auch möglich, die Toleranzen nötigenfalls zwischen dem Parallelismus der reflektierenden Flächen und dem Lagerspiel der rotierenden Achse bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung zu verteilen. Bei den heute üblichen Preisen kostet ein Spiegel mit der niedrigeren der obengenannten Toleranzen Vto eines Spiegels, der die höhere der obengenannten Toleranzen aufweist.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung wird der Polygonspiegel mit den reflektierenden Flächen 6 durch einen Motor 11 mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben. Die Rotationsgeschwindigkeit kann durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses zwischen den beiden Riemenscheiben eingestellt werden. Wird eine Anordnung ohne die zylindrischen Linsen 5 und 7 verwendet, so muß die Motorachse ein Teil der Drehachse des Polygonspiegels sein, um die engen Toleranzen sicherstellen zu können. In diesem Fall ist es nicht ohne weiteres möglich, die Rotationsgeschwindigkeit des Polygonspiegels gleich einem Teilvielfachen der Zeilenfrequenz, beispielsweise 3600 U.p.M., 1800 U.p.M. usw. zu machen, das leicht einzuhalten wäre. Da eine einfache Möglichkeit zur Einstellung eines gewünschten Verhältnisses der Umdrehungszahlen des Motors und des Polygonspiegels nicht vorhanden ist, müssen besondere Kraftquellen oder Steuervorrichtungen zur Aufrechterhaltung der richtigen Umdrehungszahlen zur Verfugung gestellt werden. Durch Verwendung zylindrischer Linsen ist es jedoch möglich, auf eingebaute Motor- und Umdrehungszahlen-Steuervorrichtungen zu verzichten, was die Kosten der Vorrichtung zur steuerbaren Ablenkung eines Lichtstrahls noch weiter herabsetzt.
Durch einen in bekannter Weise in der Bildebene

ίο angeordneten Photodetektor 10 kann der Zeitpunkt festgestellt werden, in dem die Abtastung der Bildebene beginnt. Durch einen dabei abgeleiteten Zeitgeberimpuls kann die Zufuhr von Daten zum Modulator 3 gesteuert werden. Zur Steuerung der Abtastbewegung sind eine Reihe von Verfahren bekannt, so daß diese Maßnahmen nicht näher beschrieben werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in besonders vorteilhafter Weise als Laserdrucker verwendet werden. In diesem Fall enthält die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung eine als He-Ne-Laser ausgebildete Lichtquelle 1, deren Ausgangsstrahl den Modulator 3 durchsetzt. Dieser Modulator kann beispielsweise mit einem Computer verbunden sein, der die Belichtung einer die Trommel 9 überziehenden elektrophotographischen Fläche, beispielsweise zur Erzeugung eines matrixförmigen Punktrasters, steuert. Die aus photoleitfähigem Material bestehende Trommel 9 enthält durch die Belichtung mit dem Abtaststrahl ein Ladungsbild, das mit Hilfe eines Toners sichtbar gemacht und auf einem blattförmigen Aufzeichnungsträger in an sich bekannter Weise übertragen werden kann.

Durch die Verwendung zylindrischer oder torischer Linsen ist es möglich, bei Verwendung einfacher und billiger Spiegelablenksysteme sehr preiswerte Abtastsysteme oder optische Drucker herzustellen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl von an sich bekannten Modulatoren und ein« Vielzahl von Lichtquellen zur Erzeugung von weißen monochromatischen, kohärenten oder inkohärentei Licht verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

ι 2 Die Erfindung betrifft eine Vpracjitung. zur Steuer-Patentansprüche: baren Ablenkung eines Lichtstrahls mittels bewegter

1. Vorrichtung zur steuerbaren Ablenkung reflektierender Flächen, beispielsweise mittels eines eines Lichtstrahls mittels bewegter reflektierender Spiegelrades mit im Lichtweg vor und hinter den abFlächen, beispielsweise eins Spiegelrades, mit 5 lenkenden reflektierenden Flächen angeordneten foim Lichtweg vor und hinter den ablenkenden kussierenden Elementen.

reflektierenden Flächen angeordneten fokussie- In der Technik der Datenübertragung und Datenrenden Elementen, gekennzeichnet verarbeitung ist es in vielen Fällen erforderlich, durch ein dsn ablenkenden reflektierenden Flä- einen Lichtstrahl steuerbar über eine abzutastende chen (6) vorgesphaltetes, zwei Achsen (Haupt- io Fläche entlang einzelner Linien oder in Form eines und Nebehachse) nlit -voneinander verschiedenen aus eine.r Vielzahl von nebeneinanderliegenden Zeilen Brechkräften aufweisendes, den abzulenkenden bestehenden Fernsehrasters abzulenken. Diese Strahl-Strahl jeweils auf eine ablenkende reflektierende ablenkung kann beispielsweise zur Aufnahme und Fläche (6) oder auf eine in der Mittellage dieser Wiedergabe von Fernsehbildern, zur Abtastung von Fläche liegende gedachte Ebene als gestreckten 15 Belegen bei automatischen Lesemaschinen oder zum Brennfleck fokussierendes Element (5), durch ein Ein- und Auslesen von optischen Speichern erforderden ablenkenden reflektierenden Flächen nach- lieh sein. In der Frühzeit der Fernsehtechnik erfolgte geschaltetes, zwei Achsen mit voneinander ver- die Erzeugung eines Fernsehrasters über sogenannte schiedenen Brechkräften aufweisendes und den Nipkow-Scheiben oder Spiegelräder, wie sie beispielsabgelenkten Strahl kollimierendes zweites fokus- 30 weise im Handbuch der Bildtelegraphie und desFernsierendes Element (7), wobei die auf die reflek- sehens von Fritz Schröder, Verlag von Julius tierende Fläche auftreffenden und von ihr reflek- Springer, 1932, S. 29, 31 und 45, beschrieben werden, tierten Strahlen in der durch die Reflexionsnor- In den deutschen Patentschriften 569 574 und 726 185 malen der reflektierenden Flächen beschriebenen wird ein Fernsehempfänger mit konstanter Licht-Ebene liegen, und durch ein im Strahlengang 25 quelle, Kerrzelle, Kreislochscheibe und schwingenhinter dem zweiten zweiachsigen fokussierenden dem oder rotierendem Spiegelsystem zum Bildaufbau Element (7) angeordnetes weiteres optisches EIe- bzw. eine Vorrichtung zum punktweisen Abtasten ment (8) zur Fokussierung des abgelenkten Strahls von bewegten Filmen und Gegenständen, bei welcher auf einer abzutastenden Fläche (9). die Zerlegung durch eine mit schmalen Schlitzen ver-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 30 sehene rotierende Scheibe und einem Spiegelrad erkennzeichnet, daß das zwei Achsee mit vonein- folgt, beschrieben. In beiden Fällen werden Zylinderander verschiedenen Brechkräften aufweisende linsen vorgeschlagen, die zur Anpassung der Form erste optische Element (5) und/oder das zwei des Lichtstrahls an die Nipkow- oder Schlitzscheiben Achsen mit voneinander verschiedenen Brech- bzw. an die Kerrzellen dienen. Weitere rotierende kräften aufweisende zweite optische Element (7) 35 Spiegelsysteme werden in den USA.-Patentschriften als zylindrische Linse ausgebildet ist. 2 692 370, 2 976 361 und 3 345 120 beschrieben. Eine

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- weitere Anordnung mit einem rotierenden Spiegelkennzeichnet, daß das zwei Achsen mit vonein- system wird in der Literaturstelle »Television«, vom ander verschiedenen Brechkräften aufweisende V. K. Z w ο r y k i η, Wiley & Sons, 2. Auflage, New erste optische Element (5) und/oder das zwei 40 York, 1940, 1954, S. 277, beschrieben. Aus keiner Achsen mit voneinander verschiedenen Brech- dieser Literaturstellen ist zu entnehmen, da der abkräften aufweisende zweite optische Element (7) zulenkende Lichtstrahl durch eine Zylinderlinse auf als torische Linse ausgebildet ist. die Fläche eines rotierenden Spiegels fokussiert wird.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Die Genauigkeit der Verschiebung des Lichtstrahls in Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 45 Richtung der und senkrecht zu den einzelnen Abtastdas den abgelenkten Strahl auf die abzutastende zeilen wird durch die Toleranzen der verwendeten Fläche (9) fokussierende sammelnde optische EIe- Spiegelräder bestimmt. Hochpräzise Spiegelräder ment (8) als sphärische Linse ausgebildet ist. sind sehr teuer, da für hohe Anforderungen die zu-

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der lässigen Abweichungen des Winkels zwischen der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine im 50 Rotationsachse und der Fläche der einzelnen Spiegel Verlaufe des abzulenkenden Strahles angeordnete in der Größenordnung von 2,4 · 10~⁵ Radian (5 Bo-Anordnung (3) zur Intensitätsmodulation. gensekunden) liegen. Mit derartig genauen Spiegel-

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der rädern ist es möglich, die Abweichungen eines be-A,!-,prüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wegten Strahls senkrecht zur Abtastrichtung etwa in die abzutastende Fläche (9) aus einer lichtemp- 55 der Größenordnung von 5 °/o zu halten.

nndlichen Schicht besteht. In der DT-AS 1 154 656 wird eine photoelektrische