DE1572544B

DE1572544B - Optisches Eingangsstrahl-Abtastsystem

Info

Publication number: DE1572544B
Application number: DE19671572544
Authority: DE
Inventors: Samuel Woodside Calif. Bousky (V.St.A.)
Original assignee: Ampex Corp
Current assignee: Ampex Corp
Priority date: 1966-06-20
Filing date: 1967-06-20
Publication date: 1970-11-12
Also published as: GB1198655A; DE1572544A1; US3520586A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Strahl zur Rotationsachse zurückgeführt und in die Datenaufnahme- oder Wiedergabesystem, mit einem Pupille einer festen fleckformenden,.Linse, gerichtet Drehspiegel, der winklig gegeneinander versetzte werden, so daß, ;<iie, Abtastung des fokussierten Spiegelflächen aufweist und mittels eines Objektivs Flecks an der Brennebene der Linse auftritt. ,..„

über einen Reflexionsspiegel einen raumfesten Licht- 5 In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des

strahl auf eine Abbildungsfläche abbildet. Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt

Derartige Systeme sind bereits bekannt (man vgl. Fig. 1 ein Blockdiagramm eines optischen Ein-

hierzu beispielsweise die USA.-Patentschrift 3181170 gangsstrahl-Aufnähme- und -Wiedergabesystems ge-

sowie den Aufsatz von Süsskind, Notes on Analog- maß der Erfindung,

Digital Conversion Techniques, New York, London, io Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht

1957). Dabei wird ein rotierender Polygonspiegel eines Eingangsstrahl-Ablenksystems, welches zu Erverwendet, dem der ^Lichtstrahl entweder direkt von läuteruiigszweck'en stark vereinfacht ist,

der festen Strahlungsquelle oder über einen senkrecht F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines Ein-

dazu rotierenden zweiten Polygonspiegel zugeführt gangsstrahl-Ablenksystems gemäß der Erfindung,

wird, wobei im Strahlengang jeweils noch eine Fokus_r 15 Fi g. 4 eine Draufsicht einer konzentrischen Linse

sierungslinse vorgesehen ist. für ein Eingangsstrahl-Ablenksystem gemäß der Er-

Mit einer solchen;.Anordnung können nur relativ findung,

kleine Winkelbereiche .abgestastet werden, da bei Fig. 5 einen Querschnitt der konzentrischen

größeren Auslenkungen starke Abbildungsfehler auf¹ Linse längs der Linse 5-5 in F i g. 4,

treten. 20 F i g. 6 eine perspektivische Ansicht einer prak-

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- tischen Ausführungsform des Strahlablenksystems,

gründe, bei optischen Datenaufnahme- und Wieder- F i g. 7, 8 und 9 schematische Darstellung von wei-

gabesystemen der eingangs erwähnten Art einen terenAusführungsformen der Erfindung,

größeren Winkelbereich als bisher für die Aufnahmen Mechanische rotierende Abtastanordnungen oder

zugänglich zu machen, wobei die optische Qualität 25 Systeme können in drei grundsätzliche Klassen oder

der Abbildung auch in den äußeren Winkelbereichen Gruppen eingeteilt werden. Diese Einteilung ist durch

erhalten bleiben soll. den Bereich in dem optischen fleckformendenSystem

Das System soll sich inbesondere zur linearen Ab-. gegeben, in dem die Strahlablenkung über einen tastung von Linien großer Länge mit hohen Abtast-. vorgegebenen Winkel durchgeführt wird. , Diese

raten eignen, wobei beim Arbeiten an der optischen 30 Gruppen oder Klassen werden als Pupillenverfahren

Diffraktionsgrenze die Totzeit minimal gehalten wird. (pupil& method), Ausgangsbündelverfahren und Ein-

Speziell soll ein Aufahme- und Wiedergabesystem gangsbündelverfahren bezeichnet.-

mit Laserlicht einen Lichtfleck von beispielsweise 2 . Beim Pupillenverfahren wird die Abtastung durch bis 10 μ Größe über eine Linienlänge von 5000 bis Drehung der Linsenpupille (lens pupil) selbst herbei-20 000 Fleck Durchmessern, bei Linienraten von ₃₅ geführt, wobei der fokussierte Fleck einen kreisför-1000 bis 10 Linien pro Sekunde und Bandbreiten migen Bogen überstreicht. Dieses Verfahren ist auf von 10 bis 100 MHz ablenken können. Schließlich relativ kleine Drehzählen beschränkt, um die Linsensoll das System in Verbindung mit mehreren Ein- stellung und Brennpunktausrichtungen bei der. Rotagangsstrahlen verwendbar sein. tion zu erhalten.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist gemäß 40 Beim Ausgangsstrahlenbündel wird eine reflektieder vorliegenden Erfindung bei einem System der rende Fläche in das Ausgangsstrahlenbündel zwieingangs erwähnten Art vorgesehen, daß Drehspiegel, sehen, der Linse und dem fokussierten Fleck einge-Objektiv und Abbildungsfläche in einem solchen bracht. Dieses Verfahren ist infolge von Abtastnicht-Verhältnis zueinander stehen, daß in jeder Winkel- linearitäten und Verschiebungen der Brennpunktstellung des Drehspiegels die Eingangspupille auf das _45i stellung auf Grund von Translationsfehlern begrenzt. Objektiv abgebildet wird, daß die Abbildungsfläche Werden darüber hinaus keine Doppelstrahlen verim Brennpunkt des Objektivs liegt und daß der Re- wendet, so ergeben sich große Totzeiten, da die flexionsspiegel die Eingangspupille konstant haltend Ecken zwischen aufeinanderfolgenden Spiegelflächen als zylindrischer oder torischer, .Spiegel ausgebil- durch das Ausgangsbündel laufen,
det ist. ■■.··■ 50 Beim Eingangsstrahlverfahren' wird das in die

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Er- Spaltlinse eintretende Bündel um eine durch die findung wird ein Laserstrahlgenerator verwendet, wo- Linse verlaufende Achse gedreht, so daß der Strahl bei eine mechanische-Abtastung- des „Strahls-auf, immer in die Pupille eintritt. Bei. diesem .Verfahren einem Aufnahmemedium oder auf einem mit Auf- wird ein außerhalb der Achse angeordneter sphärizeichnungen versehenen Medium vorgenommen wird, 55 scher Spiegel und optische-zugehörige Elemente ver-Dieses Medium besteht aus lichtempfindlichem Ma- wendet, um denyrStrahl. längs eines vorgegebenen terial, wie beispielsweise Silberhalogenid, Photo- Weges auf die Linse zurückzureflektieren, während kunststoff oder chromhaltiges Photomaterial. Im Zu- der Strahl einen vorgegebenen Winkel überstreicht, sammenhang mit den vorgenannten Elementen ent- Beim System gemäß der Erfindung kommt das Einhält das erfindungsgemäße System zweckmäßig ein 60 gangsstrahlverfahren zur Anwendung. Das erfineinziges optisches Abtastsystem mit einem Medium dungsgemäße System kann, wie im folgenden im einvon sich bewegenden Teilen und rotierenden Massen. zelnen beschrieben wird, in verschiedenen Ausfüh-Insbesondere kommt bei dem mechanischen Abtast- rungsformen ausgebildet sein. Bei allen Ausführungssystem, welches im folgenden als Eingangsstrahl-Ab- formen wird jedoch grundsätzlich die Kombination lenksystem bezeichnet wird, ein Lichtstrahl zur An- 65 einer Lichtquelle, eines optischen Systems mit einem wendung, welcher durch eine rotierende reflek- Eingangsstrahl-Abtastsystem, eines Filmtransports tierende Einrichtung abgelenkt und danach durch und eines Modulators mit zugehöriger Beschaltung optische Mittel rückgeführt wird. Sodann kann der zur Variierung des Abtaststrahls als Funktion der

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Eiagangsinformation verwendet, Das optische System die notwendige .Energie zuzuführen. Der Treiber ß2, empängt den Lichtstrahl, ,vorzugsweise., einen,inten- das Servosystem 34, der, Transport 14,.die Lichtsiye.n gesammelten Strahl, wie er durch einen Laser- quelle 16 und der Motor 24 sind an sich bekannt und generator erzeugt; wird, und lenkt den Strahl durch werden daher hier nicht im einzelnen beschrieben, einen rotierenden Spiegel über einen .vorgegebenen 5 Es ist festzustellen, daß das bisher_: beschriebene Abtastwinkel ab. Der Strahl wird daher durch das und in Fig. 1 dargestellte Abtast- und Aufnahmeoptische System aufgenommen und von diesem über system den Aufnahmeteil des Systems, darstellt. Im das ,Eingangsstrahl-Abtastsystem in Form eines Abtast- oder Ausleseteil des Systems werden grand-; fokussieren Flecks rückgeführt. Der Fleck wird über sätzlich die gleichen, in vorstehendem beschriebenen den vorgegebenen Abtastwinkel längs eines ge- ίο Komponenten verwendet, wobei lediglich der Lichtkrümmten Weges geführt, welcher mit der Fläche modulator 18 fehlt, welcher ersichtlich während des des. Films," auf der. die Information aufzuzeichnen Wiedergabevorgangs nicht erforderlich ist. Der Modu- oder aus der die Information auszulesen ist, zu- lator 18 wird bei Wiedergabe im Leerlauf betrieben, sammenfällt. Das Eingangsstrahl-Abtastsystem ent- d. h., der Lichtstrahl 15 passiert ihn unbeeinflußt, hält vorzugsweise, jedoch nicht notwendig, eine feste, 15 Darüber hinaus ist hinter dem Band 12 eine Lichtsphärische, konzentrische fleckformende. Linse. . aufnahmeanordnung, wie beispielsweise ein Photo-F i g. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines vervielfacher 35, vorgesehen, welcher das durch das Abtast- und Aufnahmesystems gemäß der Erfindung Band 12 tretende Licht aufnimmt. Die vom Photounter Verwendung eines Aufnahmemediums des vor- vervielfacher 35 aufgenommene Lichtmenge ist proerwähnten Typs. Das Aufnahmemedium ist Vorzugs- 20 portional zu der im Band 12 gespeicherten informaweise .in Form eines Films oder Bandes 12 ausgebil- tion, so daß das Ausgangssignal des Photoverviel· det. Um eine Flächenabtastung des photographischen fachers seinerseits proportional zur Lichtmenge ist. Filmes, oder des Bandes 12 herbeizuführen, ist ein Das Ausgangssignal wird auf (nicht dargestellte) konventionelles Bandtransportsystem 14 vorgesehen, Weiterbehandlungskreise gegeben, welche an sich um das Band .12 anzutreiben, während eine Band- 25 bekannt sind und daher hier nicht genauer beschrie-: führungsvorrichtung vorgesehen ist, um dem Band in ben werden. .: · der Abtastlime die gekrümmte Form zu geben. Das Fig. 2 zeigt beispielhaft das optische Äblenk-Bandl2 _;wird daher in einem rechten Winkel zu system 19 als vereinfachtes Eingangsstra'hl-Ablenkseiner. Bewegungsrichtung abgetastet. Da sich; der system. Der ankommende gerichtete Strahl 15 wird Abtastpunkt, wie oben erwähnt, auf einem Kreis- 39 auf die Oberfläche eines mehrflächigen Polygons 38 bogen bewegt, ist der Film 12 an der Abtastfläche in gerichtet, welches durch den Abtastmotor 24 ange-r einem gleichartigen Kreisbogen gekrümmt, wie weiter trieben wird. Ein Linsensystem 39 ist längs der Achse noch genauer beschrieben wird. Durch eine Licht- des Motors und ein zylindrisches Spiegelsystem 42 im strahlquelle 16 wird ein durch Pfeile angegebener festen Abstand vom Linsensystem 39 und vom rptie-t Lichtstrahl 15 erzeugt. Die Lichtstrahlquelle ist vor- 35 renden Polygon 38 angeordnet. Damit liegt das zugsweise ein Laserstrahlgenerator. Ein Lichtmodu- Knotenzentrum des Linsensystems 39 auf der Achse lator 18 fängt den Strahl 15 auf, bevor er in ein des Motors 24, während das Krümmungszentrum des generell· mit 19 bezeichnetes optisches Ablenksystem zylindrischen Spiegelsystems 42 mit der Achse durch geführt wird. Bei. einer Mehrstrahlanordnung wird den Motor und das Linsensystem zusammenfällt. Das der Strahl speziell in eine optische Strahlteileranord- 49 vom rotierenden Polygon 38 reflektierte Licht wird nung 20 eingestrahlt. Im optischen Ablenksystem 19 für jede durch das Polygon hervorgerufene ,Winkel·· wird der Lichtstrahl auf ein rotierendes Polygon 22 ablenkung des Eingangsstrahls 15 auf das zylin-r gerichtet, welches durch einen-Abtastmotor 24 an- drische Spiegelsystem 42 gestrahlt und von dort auf getrieben wird. Das rotierende Polygon 22 bewirkt Linsensystem 39 reflektiert. Damit wird, wie dargeein Überstreichen eines vorgegebenen Äbtastwinkels 45 stellt, eine Abtastlinie 44 längs der gekrümmten, durch: den Strahl; aus dem rotierenden Polygon 22 Fläche des Films 12 erhalten, wobei die Abtastlinie wird der Strahl in ein katadioptisehes Abtastsystem quer zur Richtung der Filmbewegung verläuft. Bei 26. eingestrahlt. Aus diesem System wird der Strahl einem derartigen Eingangsstrahl-Ablenksystem überdurch, eine fleckformende Linse 28 geführt und auf streicht der Eingangsstrahl 15 durch Verwendung des die-igekrürnmte Ebene des Fihns. 12 fokussiert. Ein 50 Linsensystems 39 einen vorgegebenen Winkel 0, wähder {,aufzunehmenden Information entsprechendes rend er im Zentrum der Linse des Linsensystems 39 Eingangssignal wird auf eine Hemme3G und von eintritt. ■;.·.-.. ·,·;;.·;"·. dieser, auf einen. Modulatortreiber 32 gegeben.; Das Das in F i g. 2 dargestellte System bildet eine etwas durch den Modulatortreiber 32 modifizierte Signal idealisierte Aüsführungsform der Erfindung, da Linwird.auf den Mpdulator,18 gegeben, welcher in 55 sen normalerweise weit außerhalb der Achse keinen tJbereinstimmung mit der Eingangsinformation ge_r Betrieb mit wirksamer Diffraktipnsbegrenzung erspeist wird. Dadurch wird der Strahl 15 als Funk- möglichen. Durch Arbeiten mit Laserlicht und einer tion der. Eingangsinformation moduliert. Zur Rege- gekrümmten Brennpunktebene, wie sie der Film 12 lung, der Drehzahl des Abtastmotors 24 wird ein darstellt, sind Färb- und Feldkorrekturen bei der Servosystem 34 verwendet. Der Abtastmotor 24 ist Gq Linsenentwicklung; nicht notwendig, Es müssen ledigr seinerseits. ; mit einem nicht dargestellten Film- lieh sphärische Aberration und Koma berücksichtigt geschwindigkeits-Regelservosystem elektrisch ge- werden. Daher enthält das Linsensystem 39 vorzugskoppelt, wodurch seine Drehzahl festgelegt und in weise eine sphärische konzentrische Linse; dabei erbezug auf die Geschwindigkeit des Bandes 12 kon- gibt sich auf Grund von vollkommener sphärischer stant gehalten ist. Mit der Lichtstrahlquelle 16, dem 65 Symmetrie, wie weiter unten nodh genauer beschrie-Modulatortreiber 32, dem Filmtransport 14 und dem ben wird, außerhalb der Achse über einen Winkel Servosystem 34 ist eine Energieversorgungsquelle 36 von 60° oder einen Abtastwinkel von 120° ein Begekoppelt, um den entsprechenden Komponenten trieb mit begrenzter Diffraktion.

Weiterhin bewirkt die Reflexion des Strahls 15 von einer zylindrischen Fläche, wie sie durch das zylindrische Spiegelsystem 42 gebildet wird, eine Kollimatiön längs einer Achse; eine derartige Reflexion wirkt auf die Fleckbildung durch das Linsensystem 39 ein. Eine sphärische Reflektorkonfiguration, wie sie im folgenden beschrieben wird, stellt daher eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, um einen Betrieb mit Diffraktionsbegrenzung zu erreichen;

Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung des Systems nach Fi g. 2 im obengenannten Sinne. Im System nach Fig. 3 ist das zylindrische Spiegelsystem 42 nach Fig. 3 durch einen sphärischen Reflektor 43 der vorgenannten Art ersetzt, welcher nicht nur den ankommenden abgelenkten Strahl reflektiert, sondern ebenso wie das Linsensystem 39 die Funktion einer Linse ausübt, wobei^: der ankommende Strahl längs eines Weges 45 fokussiert wird; Dieser Weg 45 liegt vom Reflektor um eine Strecke entfernt, welche gleich die Hälfte des Reflektor-Krümmungsradius ist: Längs des Weges 45 wird¹ daher ein Fleck erzeugt; welcher längs eines vorgegebenen Bögens über einen Winkel" abgelenkt wird, der der Ablenkung des durch das rotierende Polygon 38: reflektierten Strahls entspricht. Im bogenförmigen Weg 45 kann daher ein dem Band 12 nach den Fig. l· und 2 entsprechendes Band 12' angeordnet werden. In bezug auf den Abtaststrahl ist dieses Band bzw. der Filml2' konvex ausgebildet. Um einen fökussierten Strahl· in einem System zu· erhalten, in dem der abtastende Strahl eine konkave Fläche eines Bandes 12" abtastet, ist das Linsensystem 39 durch eine sphärische konzentrische Linse 40 ersetzt, deren Knotenzentrum: auf der Achse des rotierenden Polygons 38 bzw. zu dieser Achse benachbart angeordnet ist; Die Linse 40 nimmt den divergierenden Strahl auf und fokussiert in einen Fleck, welcher einen Weg 45' überstreicht. Dieser Weg 45' ist um die doppelte Brennweite von der Linse 40 entfernt. Die konzentrische Linse 40 wirkt daher bei dieser Speziäl-Ausfütirungsförm iin Grunde genommen als- Reläislinse, welche; nicht nur eine Rückbildung des Flecks, sondern auch eine richtige Einstellung der Optik und des Strahls unterstützt, um ein praktisches Aufnahme-Wiedergabe-System möglieh zu machen.

Beim Arbeiten mit Lichtflecken, welche durch die Diffraktiönsgrenze von^; Licht bestimmt sind; muß* in der Praxis die durch den· sphärischen Reflektor 43 erzeugte sphärische Aberration korrigiert werden;. Zu diesem Zweck ist eine Korrigierlinse 37; wie beispielsweise eine konzentrische konvex konkave Linse· (gestrichelt dargestellt); iin' Lichtweg hinter dem Polygon'38 angeordnet, welche den Strahl zur Korrektur der sphärischen Aberration des Reflektors 43'gering'verschiebt

Ih^- den· Fig. 4' und 5- ist die konzentrische Linse.40 nach Fig: 3 im einzelnen dargestellt: Es-handelt sich däbei^; um eine feste Linse mit konzentrischer sphär rischer Symmetrie, um· einen Betrieb mit Diffrakr tiönsbegrenzung bis; zu* einem Abtastwinkel von beir spielsweise 120° zu· ermöglichen* Die· konzentrische Eihse^O* besteht aus einer inneren Kugel· 46> aus optischem Glas, auf der zwei · ringförmige¹ Halbkugeln 48 aus optischem Glas mit höheren Brechungsindex aufgekittet sind; Alle- optischen Flächen^ der Kugeln oder der H'albkugeln sihd'konzentrisch und< sphärisch: Eine schmale zentrale Zone dieser zusammen·* gesetzten Kugelanordnung bildet¹ die wirksame Linse. Wegen der sphärischen Symmetrie der konzentrischen Linse 40 wird die durch die Deviation oder Verschiebung eines ankommenden Strahlenbündels

47 von der optischen Achse der Linse hervorgerufene Pupillenverzerrung (pupil distortion) vermieden. Beispielsweise wird das längs der Pupille der Linse 40 eintretende Strahlenbündel 47 in einen Punkt A fokussiert. Ehr gestrichelt dargestelltes, durch die Lihsenpupille eintretendes abgelenktes Strahlenbündel· 49 wird in einen Punkt B fokussiert. Wird der Strahl zusätzlich zur Winkelablenkung in bezug auf die Linsenpupille durch den Spiegel 48 noch verschoben, wie dies beim Bündel 49' der Fall ist, so wird der Strahl ebenfalls in den Punkt B fokussiert, d. h., es treten keine Fehler durch die Verschiebung des Bündels 49' ein: Die einzige Begrenzung des Abtastwihkels durch die Linse 40 ist in einem Punkt gegeben, in dem der Außendurchmesser des inneren Strahlenbündels 47 sich den Kanten der Halbkugeln

48 nähert, wie dies durch die Bündel 49, 49' dargestellt ist..

Im System nach Fig. 3; in dem die konzentrische Einse 40 verwendet wird; ist keine Korrektur für die durch den sphärischen Reflektor 43 hervorgerufene sphärische Aberration vorgesehen. Zu diesem Zweck kann vorzugsweise eine Korrekturfläche in einem vorgegebenen Abstand vom sphärischen LinsenreflektOT 43 angeordnet werden: Fig. 6 zeigt im einzelnen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das optische Ablenksystem 19 die verschiedenen, vorbeschriebenen optischen Elemente enthält. Das optische Ablenksystem 19 nach Fig. 1 ist in diesem Fälle ein katadioptrisch^ Reflex-Eingangsstrahlsystem 50 mit einer Kombination des Abtastmotörs 24, des· rotierenden Polygons 38; des· Spiegelsystems 42 und der vorerwähnten konzentrischen Linse 40: Das System ist wegen der noch genauer beschreibenden Reflexionsrückkehr als katadioptrisches Reflexsystem bezeichnet.

Im System 50 nach Fi g. 6 ist das zylindrische Spiegelsystem 42 derart modifiziert, däß^: es einen sphärischen Reflektor 51 und einen sphärischen Refraktor 52 enthält, welche konzentrisch angeordnet sind: Der Refraktor 52 ist zwischen dem Reflektor 51 und· der konzentrischen Linse 40^: angeordnet. Ein reflektierender Streifen 54 mit vorgegebener Länge ist beispielsweise als dünne Schicht aus reflektieren^- dem- Material auf einer denl· Reflektor 51 benachr barten Fläche des Refraktors; 52 niedergeschlagen oder in anderer Weise aufgebracht: Da die aktive Fläche des Reflektors-51^; und beide Flächen, des Refraktor52 sphärisch und" konzentrisch sind; ist die:FIäche des Refraktors 52, auf der sich der reflektierende Streifen 54^ befindet, im Brennpunkt des Reflektors 51 bzw. optisch in der Mitte zwischen dem Krümmungszentrum des Reflektors 51 und dem Reflektor angeordnet. Daher wird! der in das; System 50' eintretende Strahl'15^: vom rotierenden Polygon>38 reflektiert* und^r nach Auffallen· auf¹ den· RseflektorSl in der reflektierenden Fläche 5#gesammelt. Von dort wird er zurück auf den· Reflektor 51 reflektiert und dam* über den Refraktor 52* auf die konzentrische Eihse-40'gestrahlt, in- der? er- auf: die Oberfläche des Films'12¹ fokussiert wird; Das katadiöptrische Reflexr system 50* erzeugt somit einen· mit 56> bezeichneten gesammelten= Strahl; welcher parallel zu dem mit 58 bezeichneten* ankommenden* gesammelten Strahl· verr

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läuft. Es sei erwähnt, daß der reflektierende Streifen werden, um eine Überlagerung mit der Rotations-

54 nicht auf dem Reflektor 52 angeordnet sein muß; achse des Abtastmotors 24 zu vermeiden. In diesem

er kann auch von einer anderen geeigneten Einrich- System ist das rotierende Polygon 38 vorzugsweise

tung getragen werden. Weiterhin muß der Streifen 54 durch eine rotierende Pyramide 38' ersetzt,

auch nicht notwendig sphärisch ausgebildet sein. 5 Obwohl die rotierende Pyramide 38' jede geeignete

Das in Verbindung mit einem einzigen Eingangs- Anzahl von Flächen aufweisen kann, ist sie in diestrahl 15 dargestellte katadioptrische Reflexsystem 50 sem Ausführungsbeispiel als hexagonale Pyramide stellt eine kompakte, sehr genaue Anordnung dar, mit mehreren Dreiecksflächen 83 ausgebildet, welche welche auch mit mehreren Eingangsstrahlen, vor- gegen die Rotationsachse um einen Winkel von 45° zugsweise mit zwei oder drei Eingangsstrahlen, ver- io geneigt sind. Die Pyramide 38' wird durch den einwendbar ist. Ein zweiter, mit 59 bezeichneter Ein- fallenden Strahl 15 beleuchtet, so daß jeder Abtastgangsstra'hl ist als Beispiel für ein derartiges flädhe 83, beispielsweise auch jede 60°-Linien-Doppel-Eingangsstrahlsystem dargestellt. abtastung aufeinanderfolgend voll im Eingangsstrahl

F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform eines kata- liegt. Da die Pyramide 38 rotiert, tastet der von den dioptrischen Systems 60 für mehrere aufeinander- 15 aufeinanderfolgenden Flächen 83 reflektierte Strahl folgende Eingangsstrahlen, um die Drehzahl des Ab- in einer Ebene senkrecht zur Achse und mit einer tastmotors 24 weiter zu reduzieren. Aus Einfach- Winkelrate, welche gleich der Winkelrate der rotieheitsgründen ist das gesamte katadioptrische System renden Pyramide 38 ist. Die Stelle, an der die Achse selbst in F i g. 7 nicht dargestellt; als Beispiel ist des Abtaststrahls die Rotationsachse schneidet, ist lediglich eine Reflektorfläche 68 dargestellt. Ein dem ao die Eingangspupille (entrance pupil) des optischen Strahl 15 nach den vorhergehenden Figuren entspre- Systems. Die Pyramide 38' besitzt an ihrer Basis vorchender, gesammelter ankommender Lichtstrahl^ zugsweise zylindrische Form, um bei Rotation ein wird vom Modulator (F i g. 1) in eine Verbund- Verwinden zu vermeiden. Infolge der Drehbeschleu-Strählaufspaltanordnung 62 eingestrahlt, welche einem nigung kann an der Basisseite eine geringe Verzer-Teil der optischen Strahlteileranordnung 20 nach 25 rung der Flächen 83 auftreten. Um eine derartige F i g. 1 entspricht. Unter der Annahme, daß jede Verzerrung so klein wie möglich zu halten, wird die Aufspaltfläche 10% Strahlverlust herbeiführt, ist eine Pyramide 38' aus geschmolzenem Quarzstrahl oder erste Fläche 64 so ausgebildet, das 28% des Strahls A vorzugsweise aus Beryllium hergestellt. Die Kompenzur Bildung eines Strahls B reflektiert werden und sation der Verzerrung kann durch optische Korrek-62% (100% — 10% — 28°/o) des Strahlst auf eine 30 tür, insbesondere in der Pyramide, durchgeführt zweite Fläche 66 gestrahlt werden. Diese zweite werden, da die Verzerrung des reflektierenden Strahls Fläche 66 überträgt und reflektiert den ankommen- bei der Rotation der Pyramide konstant bleibt. Die den Strahl zu gleichen Teilen, so daß Strahlen C Dreiecksflächen 83 der Pyramide 38' können so aus- und D auf (90% · 62%)/2 oder 28% eingestellt sind. gebildet sein, daß sie die Größe und die Gestalt der Daher haben die Strahlen B, C und D gleiche Inten- 35 Pupille bestimmen, unter der Annahme, daß sie in sitäten von beispielsweise 28% des Eingangsstrahls A. der Gestalt einer Ellipse mit Aluminium versehen Der Strahl C wird direkt auf das rotierende Polygon sind. Während das rotierende Polygon 38 nach den 38 gestrahlt und von diesem in das katadioptrische Fig. 6 und 7 einen abgelenkten Strahl mit einer System 26 reflektiert, welches hier als gekrümmte Winkelrate ergibt, welche gleich der doppelten Ge-Reflektorfläche68 dargestellt ist. Die Strahlend 40 schwindigkeit des Polygons ist, ergibt sich bei der und C werden über Spiegel 70, 72 sowie 74 und 76 rotierenden Pyramide 38' ein Strahl mit einer Winkelauf das rotierende Polygon 38 gestrahlt. Rotiert das rate, welche gleich der Geschwindigkeit der Pyramide Polygon 38, so werden die Strahlen 5, C und D in 38 ist. Um gleiche Abtastraten zu erhalten, ist es dieser Reihenfolge auf die Reflektorfläche 68 reflek- notwendig, die Geschwindigkeit der rotierenden tiert und nacheinander um den vorgegebenen Abtast- 45 Pyramide 38' zu verdoppeln.

winkel abgelenkt. Es ist ersichtlich, daß das kata- F i g. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der dioptrische System 60 im Gegensatz zu den vorbe- Erfindung mit dem Abtastmotor 24, der rotierenden schriebenen Ausführungsformen der Erfindung wäh- Pyramide 38', dem sphärischen Reflektor 51 und dem rend der Rotation einer einzigen Fläche des rotieren- Aufnahmefilm bzw. dem Aufnahmeband 12. Der anden Polygons 38 drei Strahlen ablenkt. Es sei er- 50 kommende Strahl 15 wird von einer Pupillenlupe wähnt, daß bei Verwendung von zwei Strahlen diese (pupil magnifier) bzw. einem Umkehrteleskop 84, Strahlen längs einer Fläche in das System eintreten wie beispielsweise ein umgekehrtes Galilei-Teleskop können, welche senkrecht auf der Reflektorfläche 68 aufgenommen, welches bei dieser speziellen Ausfühsteht. Bei Verwendung von drei oder mehr Eingangs- rungsform eine Vergrößerungsleistung von 1:3 bestrahlen treten die Strahlen!?, C und D längs einer 55 sitzt. Das Umkehrteleskop 84 kann ein Zwei-Element-Ebene in das System ein, welche um einen geringen System mit einer einzigen Streuungslinse 86 und einer Winkel über oder unter der Reflektorfläche, d.h. einzigen Sammellinse 88 sein, welche um eine Strecke dem Reflektor 43, liegt. voneinander getrennt sind, die gleich der alge-

F i g. 8 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform braischen Differenz ihrer Brennlängen ist. Die Sam-

80 des Ausführungsbeispiels nach F i g. 6 mit dem 60 mellinse 88 kann eine plankonkave Linse und die

Abtastmotor 24, dem Refraktor 52 und der darauf Zerstreuungslinse 86 eine doppelt konkave Linse

angeordneten reflektierenden Fläche 54, dem Reflek- sein. Der Durchmesser des ankommenden Strahls

tor 51 und der konzentrischen Linse40. Das System wird, wie Fig. 9 zeigt, durch das Umkehrteleskop

enthält einen Doppelfaltspiegel 82 (double folding 84 vergrößert, wobei der vergrößerte Strahl in ein

mirror), welcher unter einem Winkel von 45° gegen 65 Pupillenfilterelement 90 eingestrahlt wird. Da eine

den Strahl 15 angeordnet ist. Durch Verwendung konstante Spaltgröße während der Rotation eine

dieses Spiegels kann die konzentrische Linse 40 konstante Beleuchtung der Pupille des optischen

außerhalb der katadioptrischen Achse angeordnet Systems erfordert, wird durch das Pupillenfilter 90

eine Intensitätskorrektur herbeigeführt, welche notwendig sein kann, um die geforderte gleichförmige Lichtintensität herbeizuführen.

Das hier beispielhaft dargestellte katadioptrische System enthält im wesentlichen den Reflektor 51 und einen an sich bekannten konvex-konkaven Korrektor 92. Der Film bzw. das Band 12 ist in diesem System so angeordnet, daß es den fokussierten Strahl vom Reflektor 91 empfängt, wie an Hand von F ig. 3 beschrieben wurde. Es kann allerdings in der Nähe der Stelle des Bandes 12 ein nicht dargestellter Faltspiegel (foulding mirror) angeordnet werden, um die Apparatur quer zum Symmetriezentrum des katadioptrischen Systems zu verschieben, woraus sich ein leichter zugängliches Bild ergibt. Der Strahl kann auch in der in F i g. 8 dargestellten Weise vom Faltspiegel in eine nicht dargestellte konzentrische Linse, wie beispielsweise die Linse 40, reflektiert werden, welche den Strahl in einen auf der konkav gekrümmten Bandfläche liegenden Spalt zurückfokussiert.

Das Eingangsstrahlsystem besitzt den Vorteil einer genauen linearen Abtastgeschwindigkeit, da die Translatorablenkungen des Strahls am rotierenden Polygon 38 automatisch ohne einen Winkel- oder Geschwindigkeitsfehler am fleckformenden Linsensystem 39 ausgenutzt werden.

Bei der Bestimmung der Parameter eines Systems nach den F i g. 1 bis 8 wird beispielsweise die Brennlänge der fleckformenden Linse (welche im wesentlichen gesammeltes Licht aufnimmt) durch die Abtastlinienlänge und den gesamten Abtastwinkel festgelegt. Die Linienlänge ist durch die Filmbreite des Aufnahmemediums bestimmt, welche aus wenigen Standardwerten, wie beispielsweise 16, 35, 70, 127, 228,6 mm ausgewählt wird. Der Abtastwinkel wird durch den Abtastspiegel bestimmt, welcher eine ganzzahlige Anzahl von Seitenflächen besitzen muß. Der Abtastwinkel muß sich daher aus der Division von 360° durch eine ganze Zahl ergeben.

Für eine gegebene Laserwellenlänge wird die optische Apparatur bzw. der Strahldurchmesser im optischen System entsprechend durch die gewünschte Fleckgröße und die gewählte Brennweite bestimmt. Die Güte des optischen Systems und die Genauigkeit der mechanischen Wirkungsweise erfordern eine vorlaufende Kompensation (Vergrößerung) des Strahldurchmessers, um die gewünschte Fleckgröße in der Praxis zu erhalten. Die modifizierte optische Apparatur kann in einer Berechnung für das optische System durch //Zahl repräsentiert sein.

Bei der Berechnung beispielsweise des Systems nach F i g. 6 wird vorzugsweise von speziellen Größen, wie Abtastfieckgröße, Abtastlinienlänge und Anzahl der Abtastlinien pro Sekunde (Zeilenrate) ausgegangen.

Ist der ankommende Strahl gesammelt, monochromatisch und von gleichförmiger Intensitätsverteilung, so ist die durch Diffraktion begrenzte Fleckgröße durch

gegeben.
Darin bedeutet

λ — Wellenlänge des Lichtes in μ,
/ = relative Apparatur, //Zahl,
d = Fleckdurchmesser,

k = eine Konstante, welche davon abhängt, wie die Fleckgröße definiert ist. k = 1,33 für die Integration eines sich bewegenden Spaltes gemessen bei 10 bis 90 °/o Intensität.

Da Aberrationen und/oder Brennpunktsfehler zugelassen werden müssen, kann bei der Systemberechnung ein kleineres //Zahl als oben angegeben verwendet werden. Die mit f bezeichnete Berechnungsgröße //Anzahl ist:

Darin bedeutet

F = Brennweite der konzentrischen Linse,
ao B = Strahldurchmesser,

k' = Gütefaktor (1,05 bis 1,30).

Ist in einem System bei Licht von 6328 A ein Fleck von 5 μ und eine Gütefaktortoleranz von 10% gefordert, so ergibt sich das Verhältnis von Brennweite zu Strahldurchmesser etwa zu 6V2. Der funktionale Zusammenhang von Brennweite und Linienlänge ist durch die Gleichung gegeben:

π N

Darin bedeutet

L — Linienlänge,

N = Anzahl der Spiegelflächen,

R = begrenzender katadioptrischer Radius.

Im Fall von F i g. 6 ist der begrenzende katadioptrische Radius durch den konkaven Radius des Reflektors an der Ebene der einfallenden Strahlen gegeben. Eine mögliche Lösung der obengenannten Gleichungen ergibt etwa die folgenden Werte:

F = 29 mm,

B = 4,5 mm,

R = 57 mm,

N = 4

für eine Linienlänge von 50 mm.
55

Die Dicke des Refraktors und der sphärische Radius des Reflektors sind durch optische Anforderungen für die Korrektur der sphärischen Aberration und die Stellung der konvexen Fläche des Refraktors an der Brennfläche des Reflektors bestimmt. Diese Berechnung ist in der optischen Entwicklung bekannt und wird daher nicht weiter beschrieben.

Die Drehgeschwindigkeit des Abtastmotors ist g durch die Gleichung

gegeben.

Darin bedeutet

■V_m = Motorgeschwindigkeit

in Umdrehungen/Minute,
ρ = Linienrate (Abtastzeilen/Sekunde).

Die elektrische Ersatzbandbreite in einem derartigen System ergibt sich am 71 %-Ansprechpunkt zu

470 ρ L

Darin ist L in Millimetern, d in μ, ρ in Zeilen pro Sekunde und die Bandbreite in MHz gemessen.

Die entsprechenden Berechnungen für einen Pyramidenspiegel sind etwas einfacher, da sich für die Brennweite und die Linienrate folgende Formeln ergeben:

IO

F =

LN

2π

Q = NV_n,.

Wie oben erwähnt, erfolgt die Abtastung des fokussierten Flecks im rechten Winkel zur optischen Abtastrichtung, in dem der Film 12 während der Abtastoperation am Abtastweg vorbeigeführt wird. Der Zusammenhang zwischen Beleuchtungsfleck und Film muß so sein, daß der beleuchtete Film an allen Punkten längs des Fleckabtastweges im Brennpunkt des Flecks liegt. Da der Aufnahme- bzw. Abtastfleck sich längs eines kreisförmigen Bogenwegs bewegt, muß der Film derart genau gekrümmt werden, daß seine Krümmung mit dem Abtastweg zusammenfällt. Eine derartige Filmgeometrie ist möglich, wenn eine Filmführung mit »Kanugeometrie« · verwendet wird. Eine derartige Führung ist in der USA.-Patentschrift 2 956114 beschrieben. Dabei ergibt sich ein Formübergang des Bandes 12 von einem ebenen Bereich in einen kreisförmigen Bereich und zurück in einen ebenen Bereich.

Der zum Antrieb des Bandes 12 verwendete Filmtransport muß im Hinblick auf Geschwindigkeit, Bandspannung, Querstabilität usw. zahlreiche Anforderungen und Toleranzen erfüllen. Diese werden durch ein Filmtransportsystem erfüllt, wie es beispielsweise in der obengenannten USA.-Patentschrift beschrieben ist.

Der Modulator 18 nach Fig. 1 kann einer der bekannten elektrooptischen Lichtmodulatoren, wie beispielsweise ein Pockels Cell Modulator, sein. Es kann beispielsweise das von der Spektra-Physics in Mountain View, California, hergestellte Modell 320 verwendet werden, welches eine Bandbreite von 10 bis 20 MHz besitzt.

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches Datenaufnahme- oder Wiedergabesystem, mit einem Drehspiegel, der winklig gegeneinander versetzte Spiegelflächen aufweist und mittels eines Objektivs über einen Reflexionsspiegel einen raumfesten Lichtstrahl auf eine Abbildungsfläche abbildet, da durchgekennzeichnet ,daß Drehspiegel (38; 83), Objektiv (39; 37, 40; 40, 52, 54; 86, 88, 92) und Abbildungsfläche (12, 12', 12) in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, daß in jeder Winkelstellung des Drehspiegels die Eingangspupille auf das Objektiv abgebildet wird, daß die Abbildungsfläche im Brennpunkt des Objektivs liegt und daß der Reflexionsspiegel die Eingangspupille konstant haltend als zylindrischer oder tbrischer Spiegel ausgebildet ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionsspiegel (42, 43, 51) so geformt ist, daß der Fokussierungsfleck des Lichtstrahls bei der Ablenkung über den Äbtastwinkel auf einer in der vorzugsweise gekrümmten Abbildungsfläche liegenden Linie geführt wird.

3. System nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch einen im Weg des vom Reflexionsspiegel (51) kommenden Lichtstrahls angeordneten Spiegel zur Rückführung des Strahls und durch eine fleckformende Linse (40), welche im Weg des vom Spiegel kommenden Lichtstrahls angeordnet ist und den Strahl in einen Fleck fokussiert, welcher die dem vorgegebenen Abtastwinkel entsprechende Linie bildet.

4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet . durch einen zwischen dem Reflexionsspiegel (51) und der festen sphärischen konzentrischen Linse (40) angeordneten Spiegel, welcher den Lichtstrahl unter einem Winkel zum vom Reflexionsspiegel kommenden Lichtstrahl zurückführt, wobei die feste, sphärische konzentrische Linse (40) im Weg des vom Spiegel zurückgeführten Lichtstrahls angeordnet ist, um die Fleckfokussierung, herbeizuführen.

5. System nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen im Abstand zwischen dem Reflexionsspiegel (51) und dem Drehspiegel (38) angeordneten sphärischen Refraktor (52) und einen relativ zur Ablenkachse konzentrisch und im Abstand von Reflexionsspiegel angeordneten lichtreflektierenden Streifen (54), wobei der vom Drehspiegel (38) kommende Lichtstrahl vom Reflexionsspiegel (51) auf den reflektierenden Streifen (54) und zurück zum Reflexionsspiegel reflektiert wird und von diesem parallel zu dem vom Drehspiegel (38) kommenden Lichtstrahl zur Ablenkachse zurück und in die feste, sphärische konzentrische Linse (40) geführt wird.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Knotenzentrum der festen, sphärischen konzentrischen Linse (40) benachbart zur und längs der Ablenkachse liegt.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (38) ein mehrflächiges, um die Ablenkachse drehbares Polygon ist und daß der ankommende Strahl senkrecht zu seiner Achse auftrifft.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (38') eine mehrflächige Pyramide ist und daß der ankommende Strahl parallel zur Ablenkachse und unter einem Winkel von etwa 45° auf die Pyramidenflächen auftrifft.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine vor dem Drehspiegel (24, 38) angeordnete Strahlaufspaltanordnung (62) zur Bildung mehrerer Eingangsstrahlen (B, C, D), durch Spiegel (70, 72, 74, 76) zur Rückführung der Eingangsstrahlen in vorgegebenen Winkeln auf den Drehspiegel (24, 38), derart, daß sie aufeinanderfolgend im Abstand vonein-

ander auf den Reflexionsspiegel (68) abgelenkt werden. '

Ί0. System nach den vorhergehenden Ansprüchen zur Aufnahme und Wiedergabe einer Information, gekennzeichnet durch der Lichtstrahlquelle und dem optischen Abbildungssystem zwischengeordneten, den Lichtstrahl von der Lichtstrahlquelle als Funktion der Information

modulierten Lichtmodulator (18), ein längs der Linie des foküssierten Flecks angeordnetes Aufnahmemedium (12) zur Aufzeichnung des die Information enthaltenden Lichtflecks und durch eine zum Aufnahmemedium (12) benachbart angeordnete Anordnung (36) zur Abfragung der auf dem Aufnahmemedium aufgezeichneten Information.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen