DE19646932A1 - Optische Scanner-Vorrichtung mit einem sphärischen Ausgangsfenster - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Hochgeschwindigkeits- Scanner-Vorrichtung für den Einsatz in Zylinderfeld- Bilderzeugungsanwendungen und anderen Scanner-Weitwinkel- Bilderzeugungsanwendungen, bei denen Scanner-Winkel von bis zu 360° ohne asymmetrische, optische Abweichungen gefordert sind, bei der ein sphärisches Ausgangsfenster eine drehbare Scanner-Optik symmetrisch umgibt.

Bei einer typischen Laser-Bilderzeugungsanwendung werden Lichtstrahlen, die durch eine Laser-Lichtquelle, wie z. B. einen Helium-Neon Gaslaser oder eine Laserdiode, erzeugt werden, von der reflektierenden Oberfläche der drehbaren Scanner-Optik einer optischen Scanner-Vorrichtung auf eine mit photosensitivem Material, wie z. B. photosensitivem Papier oder Film, überzogene Bilderzeugungsfläche reflektiert. Als Resultat erzeugen die Lichtstrahlen ein zweidimensionales Bild, bestehend aus einer Reihe von kleinen Punkten, auf dem photosensitiven Material.

Die Bilderzeugungsfläche selbst kann entweder eben oder gebogen sein, abhängig von der optischen, konstruktiven Anordnung der jeweiligen benutzten optischen Scanner-Vorrichtung. Bei einer typischen Zylinderfeld-Bilderzeugung, wird das photosensitive Material z. B. zunächst auf die innere Fläche einer hohlen zylindrischen Trommel gebracht. Daraufhin wird die optische Scanner- Vorrichtung über Schienen präzise mit konstanter Geschwindigkeit entlang der mittleren Achse der Trommel bewegt, auf eine Weise, daß das auf der Oberfläche der Trommel befestigte photosensitive Material gescannt und den durch die rotierende Scanner-Optik reflektierten Lichtstrahlen ausgesetzt wird. Das photosensitive Material selbst kann entweder von der äußeren Fläche der Trommel gehalten werden, wenn die Trommel aus einem transparenten Material besteht, oder von der inneren Fläche der Trommel. In einigen anderen Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendungen ist die Scanner-Optik jedoch statt dessen nicht drehbar. In derartigen anderen Anwendungen, wird das von der Oberfläche der Trommel gehaltene photosensitive Material erfolgreich über die Rotation der Trommel um die nicht drehbare Scanner-Optik gescannt, während sich die optische Scanner-Vorrichtung entlang der mittleren Achse der Trommel bewegt.

Die drehbare Scanner-Optik einer optischen Scanner-Vorrichtung besteht typischerweise aus einem einzelnen Spiegel, einer Anordnung von mehr als einem Spiegel oder einem Glas-Prisma. Die drehbare Scanner-Optik ist herkömmlicherweise auf einer Welle montiert, die von irgendeiner Art von Lageranordnung gehalten wird, welche Radial- und Axiallager umfaßt. Die Welle selbst wird schließlich durch einen Motor gedreht, der durch ein Steuerelektroniksystem angetrieben wird. Das Dokument US Patent Nr. 4,726,640 ist z. B. auf das Problem eines Wackelns in der Rotationsachse der drehbaren Scanner-Optik während der Rotation der drehbare Scanner-Optik im Laufe eines Scann-Vorganges gerichtet, die extremen Schwierigkeiten und hohen auftretenden Kosten der Herstellung präzise gefertigter, stationärer und drehbarer Wellen, die eine komplizierte Nutenerzeugung und sehr genaue Oberflächenbearbeitung erfordern, die oftmals mit dynamischen Druck- Pneumatik-Lageranordnungen einhergehen, das Problem von aufgrund eines zu Beginn und Ende eines Scann-Vorganges im allgemeinen mit dynamischen Drucklageranordnungen einhergehenden Reibkontaktes abgenutzten Teilen, die extremen Schwierigkeiten und hohen Kosten, die mit der Aufrechterhaltung der Balance der drehbaren Scanner-Optik und ihrer Lageranordnung einhergehen sowie die Erzielung kompakter Vorrichtungsabmessungen. Um diese Probleme zu umgehen, lehrt das Dokument US 4,726,640 eine optische Scanner- Vorrichtung, die eine dynamische Pneumatik-Drucklagerung als Radiallagerung und eine magnetische Lagerung als Axiallagerung umfaßt. Insbesondere lehrt die offenbarte Vorrichtung eine hohle in eine drehbare Scanner-Optik integrierte Rotationswelle und eine innerhalb der Rotationswelle angeordnete stationäre Welle, wobei die äußere Peripherie der stationären Welle und die innere Peripherie der Rotationswelle zusammen eine dynamische Drucklagerung bilden, eine ringförmige Rotormagnetanordnung, die auf der äußeren Peripherie der Rotationswelle angrenzend an ein unteres Ende der Rotationswelle angeordnet ist und in Umfangsrichtung sequentiell in unterschiedlichen Polaritäten magnetisiert ist, einen ersten Rotationsmagneten, der in einem oberen Endbereich der Rotationswelle angeordnet ist und einen ersten stationären Rotationsmagneten in einem oberen Endbereich der stationären Welle, gegenüber dem ersten Rotationsmagneten, mit derselben Polarität wie derjenigen des ersten Rotationsmagneten, wobei der erste Rotationsmagnet und der erste stationäre Magnet aufgrund der zwischen ihnen wirkenden Abstoßung eine axiale Magnetlagerung bilden.

Das Dokument US 4,805,972 offenbart eine Vorrichtung, die dynamische Druckgaslager einsetzt, um dem Problem des Wackelnes zu begegnen. Wackeln in derartigen Lageranordnungen wird insbesondere durch Bearbeitungsfehler der Kugellager hervorgerufen, Vibration durch den Lauf der Kugeln innerhalb der Kugellageranordnung und Vibrationen, hervorgerufen durch den Rückhaltekäfig oder Rotationsunregelmäßigkeiten, hervorgerufen durch die in der Kugellageranordnung enthaltene Schmierung. Das Resultat eines derartigen Wackelns ist eine Verkürzung der Lebensdauer des Kugellagers, aufgrund der Reibung, der sie ausgesetzt sind, wenn die drehbare Scanner-Optik mit sehr hohen Geschwindigkeiten rotiert. Ein weiteres Problem umfaßt die Schmiermittel, wie z. B. Fett, die in der Kugellageranordnung eingesetzt werden, welche die reflektierende Oberfläche der drehbaren Scanner-Optik verschmutzen. Um diese Probleme zu umgehen, lehrt das Dokument US 4,805,972 den Einsatz von dynamischen Gasdrucklagern als Radial- und Axiallager anstelle von Kugellagern. Die offenbarte Vorrichtung lehrt insbesondere eine dynamische Gaslagerungsvorrichtung in einer drehbaren Einheit, in der ein auf einer freitragenden Welle angeordnetes drehbares Teil so konstruiert ist, daß ein Betriebsgas, welches durch eine dynamische Drucknut, die zwischen der festen Welle und dem drehbaren Teil angeordnet ist, erzeugt wird, in eine Druckkammer zwischen der festen Welle und dem drehbaren Teil geleitet wird, und das drehbare Teil in Axialrichtung hält und das der Druck in der Druckkammer durch eine in der festen Welle oder dem drehbaren Teil ausgebildeten Bohrung eingestellt wird.

Das US-Patent Nr. 4,934,836 ist auf die Probleme des radialen Ausbalancierens des Gewichtes der drehbaren Scanner-Optik und ihrer Lageranordnung gerichtet, die extreme Schwierigkeit und die hohen mit der hochgenauen Bearbeitung einer Wellenanordnung verbundenen Kosten, die Reduzierung der Axiallast und die Reduzierung des Reibkontaktes in den Radial- und Axiallagerflächen der Lageranordnung zu Beginn und zum Ende von Scan- Vorgängen. Um diese Probleme zu umgehen lehrt das Dokument US 4,934,836 ein drehbares Teil mit reduziertem Gewicht, um die Axiallast sowie die Radial- /Axiallager zu reduzieren, bei denen es sich um dynamische Druckflüssigkeitslagerungen handelt. Die offenbarte Vorrichtung lehrt vor allen Dingen ein Gehäuse, welches eine sich vertikal erstreckende zylindrische Bohrung hat, mit einer an der inneren Umfangsfläche ausgebildeten radialen Lagerfläche sowie einer axialen Lagerfläche, die an der inneren Bodenfläche der zylindrischen Bohrung ausgebildet ist. Ein Wellenteil, der in der zylindrischen Bohrung des Gehäuses drehbar gelagert ist, hat eine radiale Aufnahmefläche und eine axiale Aufnahmefläche, die jeweils an der äußeren peripheren Fläche und der Bodenfläche ausgebildet sind. Eine dynamischen Druck erzeugende Nut mit spiraliger Form ist in zumindest einer der radialen Lagerflächen und der radialen Aufnahmeflächen ausgebildet. Wenn das Wellenteil gedreht wird, wird ein Gas in dem Gehäuse durch die Pumpwirkung der dynamischen Druck erzeugenden Nut angesaugt und fließt durch einen radialen Raum zwischen der radialen Lagerfläche und der radialen Aufnahmefläche in eine Druckkammer zwischen der Axiallagerfläche und der axialen Aufnahmefläche. Auf diese Weise kann der Druck in der Druckkammer das Wellenteil in einer schwebenden Position bei einer vorbestimmten vertikalen Höhe halten.

Die US Patent Nr. 5,046,797 nutzt eine radiale Luftlagerung und eine magnetische Schutzhülle, um die mit Ölnebel verbundenen Probleme zu umgehen, der die reflektierende Fläche der drehbaren Scanner-Optik verschmutzt.

Das US-Patent Nr. 5,069,515 ist auf die Probleme der Korrektur der mangelnden Steifheit der Axiallagerung gerichtet, die die Lageranordnung ausmacht, so daß die optische Scanner-Vorrichtung kompakt ausfällt, was die notwendige lange Zeit und die Schwierigkeit der Vorbereitung/Bearbeitung einer drehbaren Welle sowie die gesamten Vorrichtungskosten und die unnützen Teile reduziert. Um diese Probleme zu umgehen lehrt das Dokument US 5,069,515 zur Erzielung einer kompakten Vorrichtung und zur Reduzierung der Teile eine Reduzierung der axialen Länge der optischen Scanner-Vorrichtung und zur Umgehung einer schwachen Axiallagerung und den Schwierigkeiten der Herstellung einer drehbaren Welle eine hohle drehbare Welle, mit radialen Luftlagerungen und einer Dreimagnet-Axiallagerung oder dynamischer Axialdruckluft an der Spitze einer festen Welle. Das Dokument lehrt insbesondere einen optischen Luftlagerungsdeflektor mit einer festen Welle; eine drehbare Welle mit einem hohlen Bereich, die auf der festen Welle sitzt; eine Haltevorrichtung zwischen einem Endbereich der festen Welle und einem Endbereich des gegenüberliegenden hohlen Bereiches, welches die drehbare Welle in axialer Richtung hält; eine radiale Luftlagerung, die zwischen einer inneren Umfangsfläche des hohlen Bereiches und einer äußeren Umfangsfläche der festen Welle ausgebildet ist; ein an der drehbaren Welle befestigter Polygonspiegel; eine Antriebsvorrichtung zur Drehung der drehbaren Welle; und eine Vorrichtung zur Ablenkung von Licht, welches durch die Drehung der drehbaren Welle durch die Antriebsvorrichtung auf den Polygonspiegel geworfen wird. Die Haltevorrichtung hat einen ersten Magneten, der direkt an einer Endfläche der festen Welle befestigt ist, einen zweiten Magneten gegenüber dem ersten Magneten, der an dem hohlen Bereich der drehbaren Welle befestigt ist und einen dritten Magneten gegenüber dem zweiten Magneten, der an dem Gehäuse zur Abdeckung des Polygonspiegels befestigt ist. Die magnetischen Pole des ersten, zweiten und dritten Magneten liegen einander gegenüber, um magnetische Abstoßkräfte zu erzeugen.

Um in kürzestmöglicher Zeit ein hochaufgelöstes Abbild auf einer gegebenen Bilderzeugungsfläche zu erhalten, ist es notwendig, die drehbare Scanner-Optik einer optischen Scanner-Vorrichtung mit sehr hohen Drehzahlen zu drehen, typischerweise im Bereich von Zwanzigtausend Umdrehungen pro Minute (20000 U/min) oder höher. Die Rotationsgeschwindigkeit der Scanner-Optik einer optischen Scanner-Vorrichtung wird im allgemeinen als die "Scann-Rate" der Vorrichtung angesehen. Die bilderzeugende Produktivität einer gegebenen optischen Scanner-Vorrichtung hängt in großem Maße von der Scann-Rate der Scanner-Optik der Vorrichtung ab, da eine höhere Scann-Rate schneller höher aufgelöste Bilder liefert. Höhere Scann-Raten erzeugen jedoch auch eine Anzahl unerwünschter Nebeneffekte, die sich verstärken, wenn die Rotationsgeschwindigkeiten über 20000 U/min steigen.

Der schlimmste dieser Nebeneffekte umfaßt das Problem lauter Geräusche, exzessive Wackelns, Scanner-Optik Verschmutzung und Scanner-Optik Abnutzung. Das Problem des lauten Geräusches tritt auf, wenn durch die bei hohen Umdrehungszahlen rotierende Scanner-Optik exzessive Luftturbulenzen erzeuge werden. Derartige Luftturbulenzen produzieren einen hohen Ton, der für einen Benutzer der optischen Scanner-Vorrichtung extrem irritierend sein kann. Das Problem des exzessiven Wackelns taucht auf, wenn durch die bei hohen Umdrehungszahlen der rotierenden Scanner-Optik erzeugten exzessiven Luftturbulenzen ein zufälliges Zittern oder Wackeln in der Rotationsachse der Scanner-Optik hervorruft. Dieses Wackeln erzeugt oft auch unerwünschte Verzerrungen in den Scanner-Linien, die auf der Bilderzeugungsfläche gebildet werden, was die allgemeine Bildqualität verschlechtert. Das Problem der Verschmutzung der Scanner-Optik taucht auf, wenn durch die bei hohen Umdrehungszahlen der rotierenden Scanner-Optik erzeugten exzessiven Luftturbulenzen Staub und andere Verunreinigungen verwirbeln und auf der reflektierenden Fläche der drehbaren Scanner-Optik ansammeln. Derartige Verschmutzungen können die allgemeine Bildqualität verschlechtern. Das Problem der Abnutzung der Scanner-Optik taucht im Laufe der Zeit auf, wobei die reflektierende Fläche durch den wirbelnden Staub und andere Verschmutzungen abgenutzt wird, die die reflektierende Fläche der Scanner- Optik mit hoher Geschwindigkeit trifft. Die kumulativen Effekte dieser Kollisionen verschlechtern die reflektierende Oberfläche und können ebenso die allgemeine Bildqualität verschlechtern. Kurz gesagt neigen diese Probleme dazu, mit den steigenden Scanner-Raten für optische Scanner-Vorrichtungen zuzunehmen.

Bei frühen Versuchen einige dieser Probleme zu lösen wurden optische Hochgeschwindigkeits-Scanner-Vorrichtungen entwickelt, die aus geglätteten drehbaren Scanner-Optiken bestanden, als Lösung für die Reduzierung der Windturbulenzen, um die lauten Geräuschen letztendlich zu reduzieren, das exzessive Wackeln, die Verschmutzung der Scanner-Optik und die Probleme der Abnutzung der Scanner-Optik. Zusätzlich wurden aerodynamische Schilde und Ablenkbleche entwickelt, die dazu dienen, den Luftstrom um die drehbare Scanner-Optik zu steuern. Sogar schallschluckender Schaum wurde eingesetzt, um das Problem der starken Geräuschbildung weiter zu reduzieren. Wenn derartige Lösungen jedoch in eine gegebene Scanner-Optik aufgenommen werden, erhöhen sie die Produktionskosten erheblich. Diese Tatsache zusammen mit dem fortschreitenden modernen Trend zu optischen Scanner-Vorrichtungen mit noch höheren Scanner-Raten macht diese Lösungen nicht nur ökonomisch sondern auch technisch sinnlos, da jede moderne Hochgeschwindigkeits-Scanner- Vorrichtung, die derartige Lösungen einschließt, schwierig herzustellen sein wird und zu teuer für den Markt ist.

Bei jüngeren Versuchen die bekannten der mit Hochgeschwindigkeits-Scanner- Vorrichtungen verbundenen Probleme zu lösen, wurde gezeigt, daß die durch die Rotation der drehbaren Scanner-Optik erzeugten exzessiven Luftturbulenzen wesentlich reduziert werden können, wenn man die drehbare Scanner-Optik in einem Gehäuse anordnet, daß so konstruiert ist, daß die inneren Flächen des Gehäuses in nächster Nähe der rotierenden Flächen der rotierenden Scanner- Optik liegen. Vergleiche z. B. das Dokument US 4,610,500, welches auf die Problematik gerichtet ist, daß optische Scanner-Vorrichtungen ausschließlich und speziell für einen sehr schmalen Anwendungsbereich konstruiert sind und nicht anpaßbar sind, als einheitliche Vorrichtung für unterschiedliche Anwendungen, die von der speziellen Wellenlänge des eingesetzten Laserlichtes, den Bilderzeugungsflächencharakteristika, der Scann-Länge, der Scann- Auflösung und dem Raum abhängen, der zur Aufnahme der optischen Scanner- Vorrichtung selbst vorhanden ist. Um diese Probleme zu umgehen, lehrt das obige Dokument eine optische Scanner-Vorrichtung, die im vollständig montierten Zustand eine einheitliche Vorrichtung bildet, mit einer drehbaren Scanner-Optik, ein ein Antriebsmotor und einer Lichtstrahlfokussierungsoptik, die die spezifischen Erfordernisse vieler unterschiedlicher Anwendungen erfüllt, wobei diese Erfordernisse spezifische Laserwellenlängen, Auflösungen und Scanner-Winkel einschließt. Die offenbarte Vorrichtung lehrt vor allen Dingen eine einheitliche Anordnung, die eine drehbare Scanner-Optik, einen Motor zur Drehung der drehbaren Scanner-Optik und eine Linse zur Fokussierung eines abgelenkten Laserstrahles auf der Bilderzeugungsfläche. Ein Gehäuse einschließlich einer Basisplatte und einer Hülle, die abnehmbar auf der Basisplatte montiert ist, umgibt die drehbare Scanner-Optik. Die Basisplatte hat eine Fläche bezüglich welcher die Position der drehbaren Scanner-Optik und Linse eingestellt wird. Die Hülle hat eine Ebene auf der Linsen austauschbar angeordnet sind, so daß jede Linse eine korrekte Position und Orientierung bezüglich der Eingangspupille der optischen Scanner-Vorrichtung hat. Die drehbare Scanner-Optik ist auch abnehmbar auf der Welle des Motors montiert und bezüglich einer Schulter der Welle ausgerichtet, die exakt von der Referenzfläche der Basisplatte des Gehäuses beabstandet ist. Die einheitliche Anordnung kann in einem Laserdrucker oder jeden anderen Vorrichtung installiert werden, die einen Scanner benötigt, ausgerichtet mit dem Lichtstrahl der Laserlichtquelle, der durch eine Öffnung im Gehäuse unterhalb der drehbaren Scanner-Optik, einer Hologon-Scheibe, eintritt. Der Lichtstrahl wird abgelenkt und durch die Facetten der drehbaren Scanner-Optik gescannt sowie durch die Linse auf eine Bilderzeugungsfläche fokussiert, wie z. B. die Trommel oder das Band auf dem durch den gescannten Lichtstrahl ein latentes elektrostatisches Bild erzeugt wird.

Das Dokument US 5,084,883 ist auf die Probleme der Schwierigkeit der Ausrichtung gerichtet, wenn eine Komponente einer optischen Scanner- Vorrichtung ausgetauscht werden muß, auf schlechte Lichtstrahlqualität, wie sie im allgemeinen durch Laserdioden-Lichtquellen erzeugt wird, und auf die Verineidung von Schmiermittelpartikeln der Lageranordnung auf der reflektierenden Fläche der drehbaren Scanner-Optik und der Scanner-Linse. Um diese Probleme zu umgehen, lehrt das oben genannte Dokument eine optische Scanner-Vorrichtung, die keine Ausrichtung benötigt, wenn eine Komponente ausgetauscht werden muß, die Manipulation und Modifikation des Lichtstrahles, der von einer Laserdiode abgegeben wird, in kostengünstiger Weise, so daß sie in Hochqualitätsbilderzeugung verwendet werden kann und die Anbringung der Laserlichtquelle, der drehbaren Scanner-Optik und der Scanner-Linse auf gasdichte Weise an einem Haltegehäuse. Das Haltegehäuse ist vorzugsweise mit einer Führung für einen Gasstrohinaustausch versehen, insbesondere für die Einleitung eines Gases unter Druck und Aufrechterhaltung eines positiven Druckes innerhalb des Haltegehäuses. Dies stellt sicher, daß keine Schmiermittelpartikel von der Lageranordnung in das Haltegehäuse gelangen und die reflektierende Fläche der drehbaren Scanner-Optik und/oder die Scanner-Linse verschmutzen.

Indem man die drehbare Scanner-Optik in ein Gehäuse auf eine Art einschließt, daß die innere Fläche des Gehäuses in nächster Nähe zu der rotierenden Fläche der drehbaren Scanner-Optik liegt, können die durch die drehbare Scanner-Optik erzeugten Windturbulenzen wesentlich reduziert werden. Insbesondere die Umgebungsluft innerhalb des Gehäuses neigt dazu, gleichmäßig kreisförmig mit der Oberfläche der drehbaren Scanner-Optik zu strömen, wenn die Scanner- Optik um ihre Rotationsachse rotiert, so daß die auf die Rotationsachse der Scanner-Optik gerichteten Windturbulenzen wesentlich reduziert werden. Das direkte Resultat einer derartigen Verminderung der Windturbulenzen ist ein geringeres Geräusch, reduziertes Wackeln, vernachlässigbare Verschmutzung der Scanner-Optik und reduzierte Scanner-Optik Abnutzung.

In einer Anstrengung eine Scanner-Optik in eine optische Scanner-Vorrichtung zu integrieren, wurden viele Scanner-Vorrichtungen mit Scanner-Optik- Gehäusen konstruiert, die ein Eingangs- und ein Austrittsfenster einschließen, die es den durch die Laserlichtquellen erzeugten Lichtstrahlen erlauben, von der rotierenden Scanner-Optik reflektiert zu werden und zur Bilderzeugung aus dem Gehäuse auszutreten. Derartige moderne Vorrichtungen sind so konstruiert, daß die Eingangs- und Ausgangsfenster eben sind. Die Benutzung flacher Fenster erzeugt jedoch ein signifikantes Problem, wenn die optische Scanner-Vorrichtung in Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendungen und anderen Weitwinkel-Scanner- Bilderzeugungsanwendungen eingesetzt wird, insbesondere wenn das Ausgangsfenster eben ist. Die Benutzung eines ebenen Ausgangsfensters z. B. beschränkt die Vorrichtung auf Anwendungen, die nur einen kleinen Scann- Winkel von weniger als 60° benötigen. Während eine Konstruktion mit einem ebenen Ausgangsfenster daher für optische Scanner-Vorrichtungen, die in Flachfeld-Bilderzeugungsanwendungen zum Einsatz kommen, die nur eine kleine Scann-Winkelfähigkeit benötigen, zum größten Teil akzeptabel sind, ist eine derartige Konstruktion Inakzeptabel für Zylinderfeld- Bilderzeugungsanwendungen und andere Weitwinkel-Scann-Anwendungen, die größere Scann-Winkel als 60° und bis zu 360° benötigen.

Eine potentielle Konstruktionslösung für das Problem der Integration eines Scanner-Optik-Gehäuses ohne Begrenzung der Weitwinkel-Scannfähigkeiten wäre, die drehbare Scanner-Optik vollständig mit einem zylindrischen Austrittsfenster zu umgeben. Obwohl eine derartige Konstruktionslösung eine optische Scanner-Vorrichtung mit einer großen Scann-Winkelfähigkeit zur Verfügung stellen würde, würde die zylindrische Form des Ausgangsfensters unerwünschte asymmetrische Verzerrungen der Laserlichtstrahlen einführen, während sie durch das zylindrische Ausgangsfenster gehen, was die Bildqualität letztendlich verschlechtert. Derartige asymmetrische Verzerrungen sind in der Tat eine signifikantes Problem, da sie in einem konventionellen optischen System nicht einfach korrigiert werden können.

Alles in allem hat der Stand der Technik nach wie vor eine optische Scanner- Vorrichtung zu entwickeln, die Windturbulenzen, lautes Geräusch, Wackeln Scann-Optik-Verschmutzung und Scann-Optik-Abnutzung effektiv vermeidet und gleichzeitig Weitwinkel-Scannfähigkeiten von bis zu 360° ohne asymmetrische Verzerrungen aufweist. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dieses Problem anzugehen und zu lösen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Scanner-Vorrichtung, die durch eine Laserlichtquelle erzeugte Lichtstrahlen reflektiert, wobei die optische Scanner-Vorrichtung im wesentlichen ein Eingangsfenster besitzt; eine drehbare Scanner-Optik mit einer reflektierenden Oberfläche, wobei die reflektierende Oberfläche der drehbaren Scanner-Optik angrenzend an das Eingangsfenster positioniert ist, so daß der Lichtstrahl nacheinander auf das Eingangsfenster trifft, durch das Eingangsfenster hindurchgeht, auf die reflektierende Oberfläche der drehbaren Scanner-Optik trifft und von der drehbaren Scanner-Optik weg reflektiert wird; eine Vorrichtung zur Drehung der drehbaren Scanner-Optik, wobei die Drehungsvorrichtung in Verlängerung der drehbaren Scanner-Optik angeordnet ist; und ein sphärisches Ausgangsfenster, welches die reflektierende Oberfläche der drehbaren Scanner-Optik umgibt, wobei das sphärische Ausgangsfenster eine Mitte hat, eine abgeschrägte Spitze an einem Ende, wobei die abgeschrägte Spitze des sphärischen Ausgangsfenster angrenzend an das Eingangsfenster angeordnet ist, so daß das Eingangsfenster der Mitte des sphärischen Ausgangsfensters zugewandt ist, und eine abgeschrägte Spitze am gegenüberliegenden Ende, wobei die abgeschrägte Spitze in Verlängerung der Drehungsvorrichtung angeordnet ist, wobei der Lichtstrahl das sphärische Ausgangsfenster trifft und passiert, nachdem er von der drehbaren Scanner-Optik weg reflektiert wurde, der reflektierenden Oberfläche der drehbaren Scanner-Optik, die umgeben ist durch eine Kammer, definiert durch das Eingangsfenster, die Drehungsvorrichtung und das sphärische Ausgangsfenster. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die oben beschriebene optische Scanner-Vorrichtung, wobei die Kammer alternativ einen Vakuumanschluß hat, der in die Kammer eindringt und einen gasförmigen Austausch zwischen der Innenseite der Kammer und der Außenseite der Kammer vorsieht.

Es ist eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung eine optische Hochgeschwindigkeits-Scanner-Vorrichtung vorzusehen, mit einem Scanner- Optik-Gehäuse, die in Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendungen und anderen Weitwinkel-Scanner-Bilderzeugungsanwendungen eingesetzt werden kann, ohne das Problem der asymmetrischen, optischen Verzerrung hervorzurufen. Die vorliegende Erfindung erreicht dieses Ziel indem sie die drehbare Scanner-Optik mit einem Ausgangsfenster umgibt, das ausschließlich sphärisch ist, d. h. ein sphärisches Ausgangsfenster. Das sphärische Ausgangsfenster ist im spezielleren so angeordnet, daß es die drehbare Scanner-Optik auf eine Weise umgibt, daß das sphärische Ausgangsfenster symmetrisch bezüglich der Rotationsachse der drehbaren Scanner-Optik liegt. Eine derartige Positionierung des sphärischen Ausgangsfensters ermöglicht es der drehbaren Scanner-Optik Lichtstrahlen zu reflektieren, die auf ihre reflektierende Oberfläche fallen, durch das sphärische Ausgangsfenster in einem Scann-Winkel von 360°, während die drehbare Scanner-Optik um seine Rotationsachse rotiert. Obwohl der Einsatz eines sphärischen Ausgangsfensters zu geringen Mengen von optischer Potenzierung und sphärisch optischer Verzerrung führt, sind derartige optisch symmetrische Fehler deutlich leichter zu korrigieren als optisch asymmetrische Fehler, die durch Ausgangsfenster mit anderen Formen erzeugt werden.

Es ist eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung eine optische Hochgeschwindigkeits-Scanner-Vorrichtung mit einem Scanner-Optik-Gehäuse vorzusehen, die alle Problem der Geräusche, des Wackelns, der Scanner-Optik- Verschmutzung und der Scanner-Optik-Abnutzung schlußendlich eliminiert. Die vorliegende Erfindung erreicht dieses zweite Ziel durch das Einschließen der drehbaren Scanner-Optik in eine Kammer, die im wesentlichen durch ein Eingangsfenster, eine Dreheinrichtung zur Drehung der drehbaren Scanner- Optik und das sphärische Ausgangsfenster definiert ist. Die Kammer reduziert Windturbulenzen deutlich, indem sie den Umgebungsluftstrom auf eine gleichförmige Bewegung entlang der Flächen der drehbaren Scanner-Optik begrenzt, während die Scanner-Optik um ihre Rotationsachse innerhalb der Kammer rotiert. Alternativ kann die Kammer selbst über einen Vakuumanschluß evakuiert werden, der in die Kammer ragt und einen gasförmigen Austausch zwischen der Innenseite der Kammer und der Außenseite der Kammer ermöglicht. Eine derartige Evakuation der Kammer dient im wesentlichen dazu die Windturbulenzen innerhalb der Kammer und um die drehbare Scanner-Ophk zu eliminieren, während die Scanner-Optik um ihre Rotationsachse innerhalb der Kaminer rotiert. Letztendlich dient die Reduzierung oder die Abwesenheit derartiger Windturbulenzen dazu, die oben genannten Probleme wie Geräusch, Wackeln, Scanner-Optik Verschmutzung und Scanner-Optik-Abnutzung zu vermeiden, die normalerweise mit Windturbulenzen verbunden werden und die durch die bei hohen Geschwindigkeiten rotierende Scanner-Optik erzeugt werden.

Es ist eine dritte Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, eine Hochgeschwindigkeits-Scanner-Vorrichtung zu schaffen, die zur vertretbaren Kosten hergestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung erreicht diese Zielsetzung durch die Vermeidung der notwendigen Einbeziehung teurer struktureller Komponenten, wie aerodynamische Schilde, Ablenkbleche und/oder schallschluckenden Schaum um die Probleme des Geräusches, des Wackelns, der Scanner-Optik Verschmutzung und der Scanner-Optik-Abnutzung zu reduzieren.

Die oben genannten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen, im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine dreidimensionale Explosionsansicht einer optischen Scanner- Vorrichtung mit einem sphärischen Ausgangsfenster, einem ebenen Eingangsfenster und einer Ein-Facetten-Scanner-Optik, wobei die Ansicht eine Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendung zeigt;

Fig. 2 ist eine Tellquerschnittsansicht einer optischen Scanner-Optik Vorrichtung mit einem sphärischen Ausgangsfenster, einem ebenen Eingangsfenster und einer Ein-Facetten-Scanner-Optik, wobei die Ansicht eine Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendung zeigt;

Fig. 3 ist eine Teilquerschnittsansicht einer optischen Scanner-Optik Vorrichtung mit einem sphärischen Ausgangsfenster, einem ebenen Eingangsfenster und einer Penta-Prisma-Scanner-Optik, wobei die Ansicht eine Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendung zeigt; und

Fig. 4 ist eine Teilquerschnittsansicht einer optischen Scanner-Optik Vorrichtung mit einem sphärischen Ausgangsfenster, einem sphärischen Eingangsfenster und einer Ein-Facetten-Scanner-Optik, wobei die Ansicht eine Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendung zeigt.

Fig. 1 ist eine dreidimensionale Explosionsansicht einer optischen Scanner- Vorrichtung 30 mit einem sphärischen Ausgangsfenster 40, einem ebenen Eingangsfenster 32 und einer Ein-Facetten-Scanner-Optik 60, wobei die Ansicht beispielhaft eine Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendung zeigt. Darüber hinaus ist Fig. 2 eine Teilschnittansicht der selben optischen Scanner-Vorrichtung 30 mit dem sphärischen Ausgangsfenster 40, dem ebenen Eingangsfenster 23 und der Ein-Facetten-Optik 60, wobei die Ansicht beispielhaft die Zylinderfeld- Bilderzeugungsanwendung in größerem Detail zeigt.

Die Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendung wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, wird normalerweise durch den Einsatz von vier diskreten Komponenten ausgeführt: eine Laserlichtquelle 10, ein Ausgabesystem für optische Strahlen 20, die optische Scanner-Vorrichtung 30 und eine zylindrische Bilderzeugungsfläche 90. Die optische Scanner-Vorrichtung selbst umfaßt nach Maßgabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das ebene Eingangsfenster 32, die Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 mit einer reflektierenden Oberfläche 64, das sphärische Ausgangsfenster 40 und eine Gehäuse 80, das den Motor und die Lageranordnung aufnimmt.

Die Laserlichtquelle 10 kann jeglicher Art sein, einschließlich einer Gas- oder Laserdiode, die einen Lichtstrahl 12 mit einem kreisförmigen Querschnitt und einer zentralen Achse 14 erzeugt. Die zentrale Achse 14 des Lichtstrahles 12 wird durch das Zentrum des Lichtstrahles 12 definiert, während der Lichtstrahl durch den Raum und andere unterschiedliche Medien geht. Die Laserlichtquelle 10 erzeugt und richtet den Lichtstrahl 12 insbesondere so, daß der Lichtstrahl abgelenkt wird und auf das optische Strahlausgabesystem 20 trifft.

Das optische Strahlausgabesystem 20 besteht aus einer oder mehr Linsen und kann zusätzlich einen oder mehrere Spiegel umfassen, die entlang des optischen Pfades des Lichtstrahles 12 angeordnet sind, der durch die Laserlichtquelle 10 erzeugt wird. Das optische Lichtstrahlausgabesystem 20 dient dazu, den Lichtstrahl 12 optisch zu manipulieren, so daß der Lichtstrahl 12 nicht länger abgelenkt wird und zumindest parallel gerichtet ist und richtet den Lichtstrahl 12 auf einen vorbestimmten optische Pfad, so daß der Lichtstrahl 12 das ebene Eingangsfenster 32 der optischen Scanner-Vorrichtung 30 trifft. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das optische Strahlausgabesystem 20 in erster Linie aus zwei Linsen optischer Qualität, die innerhalb eines Objektivtubus angeordnet und befestigt sind. Die Laserlichtquelle 10 und das optische Strahlausgabesystem 20 sind relativ zueinander angeordnet, so daß der Lichtstrahl 12 in den Objektivtubus eintritt und danach durch die zwei Linsen geht, die innerhalb des Objektivtubus angeordnet sind. Auf diese Weise wird der Lichtstrahl 12 zunächst durch die erste Linse innerhalb des Objektivtubus auf die er trifft parallelisiert und wird dann durch die zweite Linse in einen konvergierenden Lichtstrahl refokussiert.

Nachdem der Lichtstrahl 12 durch das optische Strahlausgabesystem 20 gegangen ist, trifft der Lichtstrahl 12 sodann auf und passiert das ebene Eingangsfenster 32 der optischen Scanner-Vorrichtung 30, das im vorbestimmten optischen Pfad des Lichtstrahles 12 liegt. Nach Maßgabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das ebene Eingangsfenster 32 typischerweise transparent für die sichtbaren Wellenlängen und aus Glas optischer Qualität gemacht, obwohl andere Materialien mit glasähnlichen optischen Charakteristika abhängig von der Wellenlänge der benutzten Laserlichtquelle eingesetzt werden können. Zusätzlich sollte das optische Strahlausgabesystem 20 relativ zu dem ebenen Eingangsfenster 32 angeordnet sein, so daß die zentrale Achse 14 des Lichtstrahles 12 normal bezüglich des ebenen Eingangsfensters 32 liegt, wenn der Lichtstrahl 12 auf das ebene Eingangsfenster 32 trifft und es passiert.

Bezüglich des sphärischen Ausgangsfensters 40 ist das sphärische Ausgangsfenster 40 derart gefertigt, so daß es wie eine hohle Sphäre mit einer abgeschnittenen Spitze an einem Ende, einer Mitte 48 und einem abgeschnittenen Boden an der anderen Seite. Aus Gründen der geometrischen und optischen Symmetrie ist das sphärische Ausgangsfenster 40 derart geformt, daß die abgeschnittene Spitze einen oberen ringförmigen Rand 42 bildet und der abgeschnittene Boden einen unteren ringförmigen Rand 44 bildet. Nach Maßgabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der obere Rand 42 und der untere Rand 44 des sphärischen Ausgangsfensters 40 relativ zueinander geformt und angeordnet, so daß sie zwei Kreise definieren, die in zwei parallel zueinander liegenden Ebenen liegen, wobei jede Ebene im rechten Winkel zu einer Linie liegt, die durch die Mitte dieser beiden Kreise geht. Obwohl eine derartige präzise Geometrie bevorzugt ist, können kleinere Abweichungen von einer derart präzisen Geometrie toleriert werden, abhängig von der jeweiligen auszuführenden speziellen Bilderzeugungsanwendung. Das sphärische Ausgangsfenster 40 selbst ist normalerweise transparent für die sichtbaren Wellenlängen und ist aus Glas optischer Qualität, obwohl andere Materialien mit glasähnlichen Charakteristika abhängig von der Wellenlänge der benutzten Laserlichtquelle verwendet werden können.

Nach Maßgabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das ebene Eingangsfenster 32 angrenzend an eine dem ebenen Eingangsfenster 32 und dem sphärischen Ausgangsfenster gemeinsame Befestigung 34 angeordnet und an dieser befestigt. Der äußere Teil des Eingangsfensters 34 ist angrenzend an den oberen Rand 42 des sphärischen Ausgangsfensters montiert. Dadurch dient das ebene Eingangsfenster 32 und die Eingangsfensterbefestigung 34, um die abgeschnittene Spitze des sphärischen Ausgangsfensters 40 abzudecken. Insbesondere das ebene Eingangsfenster 32 sollte so befestigt sein, daß es parallel bezüglich des oberen Randes 42 des sphärischen Ausgangsfensters liegt.

Nach Maßgabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der untere Rand 44 des sphärischen Ausgangsfensters 40 an einem Ende einer Ausgangsfensterbefestigung 46 angebracht. Das Ausgangsfenster 46 selbst ist wie ein hohler Zylinder geformt. Das andere Ende der Ausgangsfensterbefestigung 46 ist an dem Gehäuse 80 in geeigneter Weise befestigt. Zusätzlich hat die Ausgangsfensterbefestigung 46 einen Vakuumanschluß 50, der die zylindrische Wand der Ausgangsfensterbefestigung 46 durchbricht. Der Vakuumanschluß 50 selbst ist von der Außenseite der Ausgangsfensterbefestigung 46 mittels eines Vakuumanschluß-Anschlußstückes 52 zugänglich. Nach dem Zusammenbau des ebenen Eingangsfensters 32 und des sphärischen Ausgangsfensters 40 mit ihren jeweiligen Befestigungen 34 und 46 ist es wichtig, daß die Mitte 48 des sphärischen Ausgangsfensters 40 die reflektierende Fläche 64 exakt an dem Punkt schneidet, an dem die zentrale Achse 14 des Lichtstrahles 12 und die Rotationsachse der optischen Scanner-Vorrichtung zusammentreffen.

Nachdem der Lichtstrahl 12 durch das ebene Eingangsfenster 32 gegangen ist, trifft der Lichtstrahl sodann auf die reflektierende Fläche 64 der Ein-Facetten Scanner-Optik. Die reflektierende Fläche 64 ist umgeben das sphärische Ausgangsfenster 40 und ist in einem bestimmten Winkel bezüglich des ebenen Eingangsfensters 32 angeordnet, so daß der Lichtstrahl 12 nacheinander durch das ebene Eingangsfenster 32 geht, auf die reflektierende Fläche der Ein- Facetten-Scanner-Optik 60 trifft, von der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 reflektiert wird und durch das sphärische Ausgangsfenster 40 geht. Nach Maßgabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollten das optische Strahl-Ausgabesystem 20, das ebene Eingangsfenster 32, die reflektierende Fläche 64 der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 und das sphärische Ausgangsfenster 40 alle relativ zueinander angeordnet sein, so daß die zentrale Achse 14 des Lichtstrahles 12 mit der Mitte 48 des sphärischen Ausgangsfensters 40 am Reflektionspunkt der reflektierenden Fläche 64 der Ein-Facetten-Scanner- Optik 60 zusammenfällt. Daraus folgt, daß eine derartige Relativanordnung diktiert, daß der Lichtstrahl 12 auf das sphärische Ausgangsfenster 40 trifft und es passiert, so daß die zentrale Achse 14 des Lichtstrahles 12 normal zum sphärischen Ausgangsfenster 40 ist.

Nachdem der Lichtstrahl 12 durch das sphärische Ausgangsfenster 40 gegangen ist, konvergiert der Lichtstrahl 12 in einen Punkt auf der zylindrischen Bilderzeugungsfläche 90. Die zylindrische Bilderzeugungsfläche 90 umgibt die Außenseite des sphärischen Ausgangsfensters 40, so daß jeder Lichtstrahl 12, der durch das sphärische Ausgangsfenster 40 geht, richtig in einem Punkt auf der zylindrischen Bilderzeugungsfläche 90 konvergiert und schließlich ein Bild auf der photosensitiven Fläche der zylindrischen Bilderzeugungsfläche 90 bildet.

Wie zuvor genannt, ist die reflektierende Fläche 64 der Ein-Facetten-Scanner- Optik 60 in einem bestimmten Winkel bezüglich des ebenen Eingangsfensters 32 angeordnet. Eine derartige Anordnung erlaubt es einem Lichtstrahl 12, der auf die reflektierende Fläche 64 trifft, von der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 in einem "Faltwinkel" reflektiert zu werden, so daß der Lichtstrahl 12 durch das sphärische Ausgangsfenster 40 geht. Ein "Faltwinkel" ist definiert als Winkel, gemessen von der zentralen Achse 14 des Lichtstrahles 12, kurz bevor der Lichtstrahl 12 auf die reflektierende Fläche 64 der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 trifft, zur zentralen Achse 14 des Lichtstrahles 12, nachdem der Lichtstrahl 12 sich von der reflektierenden Fläche 64 der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 entfernt hat. Obwohl Fig. 2 einen Faltwinkel von ungefähr 90° zeigt, können statt dessen andere Faltwinkel eingesetzt werden. Tatsächlich kann ein anderer Faltwinkel als 90° abhängig von der jeweiligen Anwendung, für die die optische Scanner-Vorrichtung 30 eingesetzt werden soll, bevorzugt sein, da ein Faltwinkel von 90° den Lichtstrahl 12 veranlaßt, auf der zylindrischen Bilderzeugungsfläche 90 zu konvergieren, so daß die zentrale Achse 14 des Lichtstrahles 12 normal bezüglich der zylindrischen Bilderzeugungsfläche 90 ist, wobei unerwünschtes Licht von dem sphärischen Ausgangsfenster 40 der optischen Scanner- Vorrichtung 30 zurückreflektiert wird. Um derartige Reflexionen zurück in das sphärische Ausgangsfenster 40 zu vermeiden, sollte der Winkel der reflektierenden Fläche 64 der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 bezüglich des ebenen Eingangsfensters 32 so eingestellt sein, daß der Faltwinkel beinahe aber nicht exakt 90° beträgt.

Die Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 ist am freiliegenden Ende einer Welle 70 befestigt, die aus dem Gehäuse 80 ragt, so daß die reflektierende Fläche 64 der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 vom sphärischen Ausgangsfenster 40 umgeben ist. Das Gehäuse 80 selbst beherbergt das andere Ende der Welle 70. Während des Betriebes der optischen Scanner-Vorrichtung 30 dient die Welle 70 dazu, die Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 und ihre reflektierende Fläche 64 auf der Rotationsachse der Welle 70 um Winkel bis zu 360° zu drehen. Die Welle 70 wird nach Maßgabe der bevorzugten Ausführungsform durch eine Lageranordnung (nicht gezeigt) gehalten, die innerhalb des Gehäuses 80 aufgenommene Radial- und Axiallager umfaßt. Andere Arten von Lageranordnungen, wie z. B. Kugellager, Luft-/Gaslager, Fluidlager, Magnetlager oder jede Kombination derselben, die im Stand der Technik offenbart ist, können jedoch statt dessen eingesetzt werden. Die Welle 70 wird zusätzlich durch einen Motor um seine Rotationsachse gedreht, der ebenfalls im Gehäuse 80 angeordnet ist und der auf das im Gehäuse befindliche Ende der Welle 70 wirkt. Der im Gehäuse 80 angeordnete Motor wird durch ein elektronisches Steuersystem gesteuert.

Die Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 ist auf der Welle 70 montiert, so daß die Rotationsachse der Welle 70 Co-Linear mit der zentralen Achse 14 des Lichtstrahles 12 ist, wenn der Lichtstrahl 12 auf das ebene Eingangsfenster 32 trifft. Zusätzlich ist die Rotationsachse der Welle 70 so positioniert, daß die Mitte 48 des sphärischen Ausgangsfensters 40 präzise an dem Punkt mit der reflektierenden Fläche zusammenfällt, an dem die zentrale Achse 14 des Lichtstrahles 12 und die Rotationsachse der optischen Scanner-Vorrichtung 30 die reflektierende Fläche schneiden. Ist eine derartige Positionierung gegeben, kann die reflektierende Fläche 64 zusätzlich zu der Fähigkeit der reflektierenden Fläche 64 der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 durch die Welle 70, die von einer Luftlageranordnung gehalten ist, um 360° zu drehen, auftretende Lichtstrahlen 12 erfolgreich in einem Scanner-Winkel von bis zu 360° durch das sphärische Ausgangsfenster 40 zu reflektieren, während die Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 durch die Welle 70 auf der Luftlageranordnung in dem Gehäuse 80 während des Betriebes der optischen Scanner-Vorrichtung 30 rotiert.

Nach Maßgabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und mit Bezug auf die Fig. 1 und Fig. 2, ist das Umhüllung oder die Kammer, welche die Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 und die reflektierende Fläche 64 umgibt, in erster Linie durch das ebene Eingangsfenster 32, die Eingangsfensterbefestigung 34, das sphärische Ausgangsfenster 40, die Ausgangsfensterbefestigung 46, die Welle 70 und das Gehäuse 80 ausgebildet und definiert. Die Kammer umfaßt auch den Vakuumanschluß 50, wie oben bemerkt, der die Ausgangsfensterbefestigung 46 der Kammer durchdringt und einen Gasaustausch zwischen der Innenseite der Kaminer und der Außenseite der Kammer ermöglicht. Der Vakuumanschluß 50 kann jedoch statt dessen auch in anderen Teilen der Kammer angeordnet sein. Der Vakuumanschluß 50 könnte z. B. auch durch das Gehäuse 80 verlegt sein.

Fig. 3 ist eine Teilquerschnittsansicht einer alternativen optischen Scanner- Vorrichtung 30, mit dem sphärischen Ausgangsfenster 40, dem ebenen Eingangsfenster 32 und einer Penta-Prismen-Scanner-Optik 60A, wobei die Ansicht beispielhaft eine Zylinderfeld-Bilderzeugungsanwendung darstellt. Die spezifische in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform ist der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sehr ähnlich, abgesehen davon, daß die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 durch die Penta-Prismen- Scanner-Optik 60A ersetzt wurde, die auf der Spitze einer Prismenbefestigung 62 befestigt ist, wobei der Boden der Prismenbefestigung 62 an der Welle 70 befestigt ist.

Nach Maßgabe der alternativen Ausführungsform hat die Penta-Prismen- Scanner-Optik 60A einen Körper, der von dem sphärischen Ausgangsfenster 40 umgeben ist, eine Einfallfläche 66, das zum ebenen Eingangsfenster 32 gerichtet ist und parallel zu diesem liegt, zwei interne reflektierende Flächen 64A, die innerhalb des Körpers angeordnet sind, um durch den Körper gehende Laserlichtstrahlen 12 zu lenken und eine Ausgangsfläche 68, die rechtwinklig zu der Einfallsfläche 66 liegt, so daß die Ausgangsfläche 68 zum sphärischen Ausgangsfenster 40 gerichtet ist. Die internen reflektierenden Flächen 64A dienen im spezielleren dazu, den Lichtstrahl 12 aufzunehmen, der auf die Einfallsfläche 66 trifft und durch diese hindurchgeht, den Lichtstrahl 12 zu reflektieren und durch den Körper der Penta-Prismen-Scanner-Optik 60A zu lenken und den Lichtstrahl 12 durch die Ausgangsfläche 68 und schließlich durch das sphärische Ausgangsfenster 40 zu lenken, so daß der Lichtstrahl 12 in einem Punkt konvergiert und ein Bild auf der photosensitiven Fläche der zylindrischen Bilderzeugungsfläche 90 bildet. Am wichtigsten ist jedoch die Tatsache, daß die zentrale Achse 14 des Lichtstrahles 12 zweimal durch die Mitte 48 des sphärischen Ausgangsfensters 40 geht: nach dem Passieren der Einfallfläche 66 aber vor dem Auftreffen der internen reflektierenden Flächen 64A und nach der Reflexion von den internen reflektierenden Flächen 64A aber vor dem Auftreffen auf die Ausgangsfläche 68.

Der Vorteil der Verwendung der Penta-Prismen-Scanner-Optik 60A, im Gegensatz zur Verwendung der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60 der Fig. 1 und Fig. 2, in die optische Scanner-Vorrichtung 30 ist, daß die Penta-Prismen- Scanner-Optik 60A aufgrund ihrer inhärenten strukturellen Natur im wesentlichen Immun gegen unerwünschte Scann-Linien-Störungen ist, die normalerweise auf der zylindrischen Bilderzeugungsfläche 90 aufgrund des Wackelns in der Rotationsachse der Welle 70 ausgebildet werden. Insbesondere die internen reflektierenden Flächen 64A der Penta-Prismen-Scanner-Optik 60A sind beide relativ zueinander angeordnet, so daß jede unerwünschte Scann- Linien-Störung, die aus dem Wackeln, welcher die Rotationsachse der Welle 70 unterliegt, entsteht, durch die optisch zusammenwirkende Anordnung der internen reflektierenden Flächen 64A innerhalb des Körpers der Penta-Prismen- Scanner-Optik 60A korrigiert wird.

Fig. 4 ist eine Teilschnittansicht der optischen Scanner-Vorrichtung 30 mit dem sphärischen Ausgangsfenster 40, einem sphärischen Eingangsfenster 32A und der Ein-Facetten-Scanner-Optik 60, wobei die Ansicht beispielhaft eine Zylinderfeld-Bilderzeugungs-Anwendung zeigt. Die spezielle in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform ist der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sehr ähnlich, außer das das in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte ebene Eingangsfenster 32 durch das sphärische Eingangsfenster 32A ersetzt wurde.

Nach Maßgabe der Ausführungsform nach Fig. 4 ist das sphärische Eingangsfenster 32A an der Eingangsfensterbefestigung 34 befestigt. Das sphärische Eingangsfenster 32A selbst hat eine konvexe äußere Fläche, die zum optischen Strahl-Ausgabe-System 20 gerichtet ist und eine konkave innere Fläche, die zur Mitte 48 des sphärischen Ausgangsfensters 40 und der Ein- Facetten-Scanner-Optik 60 gerichtet ist.

Der Vorteil der Verwendung des sphärischen Eingangsfenster 32A im Gegensatz zum ebenen Eingangsfenster 32 nach Fig. 2 in der optischen Scanner- Vorrichtung 30 ist, daß das sphärischen Eingangsfenster 32A so gewählt werden kann, daß es eine unerwünschte optische Leistung und elementare sphärische Abweichung korrigieren kann, die durch das sphärische Eingangsfenster 40 in das auf der zylindrischen Bilderzeugungsfläche 90 geformte Bild eingeführt werden. Insbesondere das sphärische Eingangsfenster 32A ist so gewählt, daß es eine dem sphärischen Ausgangsfenster 40 entsprechende aber entgegengesetzte optische Leistung und sphärische Abweichung hat, und in die optische Scanner- Vorrichtung 30 integriert ist, wobei die optische Scanner-Vorrichtung 30 innerhalb eines jeden Bilderzeugungs-Wirt-Systemes eingeschlossen sein kann, ohne das Einführen unerwünschter optischer Leistung oder sphärischer Abweichung in das Bilderzeugungs-Wirt-System. Im Gegensatz dazu kann die Verwendung eines ebenen Eingangsfensters 32 wie in Fig. 2 die symmetrischen Fehler der optischen Leistung und der elementaren sphärischen Abweichung nicht korrigieren, die durch das sphärische Ausgangsfenster 40 eingeführt werden können. Als Resultat muß eine ein Bilderzeugungs-Wirt-System, in das die optische Scanner-Vorrichtung 30 integriert ist, die symmetrischen Fehler der optischen Leistung und elementare sphärische Abweichungen, die durch das sphärische Ausgangsfenster 40 eingeführt werden, selbst korrigieren, wenn die optische Scanner-Vorrichtung 30 ein ebenes Eingangsfenster 32 umfaßt. Die symmetrischen Fehler der optischen Leistung und der elementaren sphärischen Abweichung können beispielsweise durch eine Änderung der optischen Charakteristika des optischen Strahl-Ausgabe-Systems 20 korrigiert werden oder durch das Einführen einer korrigierenden optischen Komponente in den Pfad des Lichtstrahles 12, bevor der Lichtstrahl 12 auf das in Fig. 2 gezeigte ebene Eingangsfenster 32 trifft und dieses durchdringt. Zur Korrektur symmetrischer Fehler der optischen Leistung und der elementaren sphärischen Abweichung können jedoch auch andere Modifikationen des optischen Wirtsystemes verwendet werden, die sich dem Fachmann zweifellos anbieten.

Obwohl die obige Beschreibung im Lichte einer Zylinderfeld-Bilderzeugungs­ anwendung gegeben wurde, sollte zusammenfassend festgestellt werden, daß die vorliegende Erfindung ebenso in ebenen Bilderzeugungsanwendungen eingesetzt werden kann. Die vorliegende Erfindung wird hier im Lichte einer Zylinderfeld- Bilderzeugungsanwendung beschrieben, um ihre einzigartige Fähigkeit hervorzuheben, Bilder bis zu 360° zu scannen, ohne asymmetrische optische Abweichungen einzuführen.

Andere Modifikationen der hier beschriebenen optischen Scanner-Vorrichtung sind möglich und können Variationen der Scanner-Optik, der Eingangsfenster, der Lageranordnungskonfiguration, etc. umfassen. Alle derartigen Modifikationen sollten jedoch offensichtlich sein im Lichte der vorliegenden Erfindung, da alle derartigen Modifikationen direkt von der obigen Beschreibung profitieren, die offenbart, wie die Vorteile der reduzierten Windturbulenzen, des geringeren Geräusches, des verminderten Wackelns, der vernachlässigbaren Verschmutzung der Scanner-Optik, der reduzierten Scanner-Optik-Abnutzung und der Weitwinkel-Scann-Fähigkeit von bis zu 360°, ohne asymmetrische optische Abweichungen, innerhalb einer einzigen optischen Scanner-Vorrichtung verwirklicht werden können.

Es ergibt sich aus der obigen Beschreibung, daß sich für den Fachmann viele Variationen und Modifikationen der hier beschriebenen Scanner-Vorrichtung innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung anbieten. Dementsprechend ist die obige Beschreibung lediglich beispielhaft zu sehen und soll lediglich durch den Bereich der beigefügten Ansprüche begrenzt werden.

Claims (17)

1. Optische Scanner-Vorrichtung zur Reflexion eines durch eine Laserlichtquelle erzeugten Lichtstrahles, mit:
einem Eingangsfenster (32);
einer drehbaren Scanner-Optik, mit einer reflektierenden Fläche, wobei die reflektierende Fläche der drehbaren Scanner-Optik angrenzend an das Eingangsfenster angeordnet ist, so daß der Lichtstrahl (12) nacheinander auf das Eingangsfenster (32) trifft, durch das Eingangsfenster (32) geht, auf die reflektierende Fläche der drehbaren Scanner-Optik (30) trifft und von der drehbaren Scanner-Optik (30) reflektiert wird;
einer Einrichtung zur Rotation der drehbaren Scanner-Optik, wobei die Rotationseinrichtung kontinuierlich zur drehbaren Scanner-Optik angeordnet ist; und
ein sphärisches Ausgangsfenster (40), das die reflektierende Fläche der drehbaren Scanner-Optik umgibt, wobei das sphärische Ausgangsfenster (40) eine Mitte (48) hat, eine Spitze am einem Ende und einen Boden am anderen Ende, wobei die Spitze des sphärischen Ausgangsfensters (40) angrenzend an das Eingangsfenster (32) liegt, so daß das Eingangsfenster (32) zur Mitte des sphärischen Ausgangsfensters (40) gerichtet ist, wobei der Boden angrenzend an die Rotationseinrichtung angeordnet ist, so daß der Lichtstrahl (12) auf das sphärische Ausgangsfenster (40) trifft und durch dieses hindurchgeht, nachdem er von der drehbaren Scanner-Optik reflektiert wurde, wobei die reflektierende Fläche der drehbaren Scanner- Optik von einer Kammer umgeben ist, die durch das Eingangsfenster (32), die Rotationseinrichtung und das sphärische Ausgangsfenster (40) definiert ist.

2. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sphärische Ausgangsfenster (40) aus Glas besteht.

3. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsfenster (32) eben ist.

4. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsfenster (32) sphärisch ist und eine konkave innere Fläche hat, die zur Mitte (48) des sphärischen Ausgangsfensters (40) gerichtet ist, und eine äußere Fläche, die von der Mitte (48) des sphärischen Ausgangsfensters weg gerichtet ist.

5. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche der drehbaren Scanner-Optik aus einer einzigen Facette besteht.

6. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Scanner-Optik ein Prisma ist.

7. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma ein Penta-Prisma ist, wobei das Penta-Prisma umfaßt:
einen Körper, der umgeben ist von dem sphärischen Ausgangsfenster (40);
eine Einfallfläche, die zum Eingangsfenster (32) gerichtet ist und kontinuierlich zum Körper des Penta-Prisma angeordnet ist, wobei der Lichtstrahl (12) bei der Einfallfläche auf das Penta-Prisma trifft und in dieses hineingeht, nachdem er durch das Eingangsfenster (32) gegangen ist;
interne reflektierende Flächen (64A), die kontinuierlich zum Körper des Penta-Prisma angeordnet sind, wobei die internen reflektierenden Flächen (64A) den Lichtstrahl (12) von der Einfallfläche aufnehmen und den Lichtstrahl (12) durch den Körper des Penta-Prisma lenken; und
eine Ausfallfläche, die zum sphärischen Ausgangsfenster (40) gerichtet ist und kontinuierlich zum Körper des Penta-Prisma angeordnet sind, wobei die internen reflektierenden Flächen (64A) den Lichtstrahl (12) kooperativ durch die Ausgangsfenster lenken.

8. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer einen Vakuumanschluß hat, der die Kammer durchdringt, wobei der Vakuumanschluß einen Gasaustausch zwischen der Innenseite der Kaininer und der Außenseite der Kammer vorsieht.

9. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (12) auf die reflektierende Fläche der drehbaren Scanner-Optik trifft und von der drehbaren Scanner-Optik unter einem Faltwinkel von im wesentlichen 90° reflektiert wird, wobei der Faltwinkel von der zentralen Achse (14) des Lichtstrahles (12) vor dem Auftreffen des Lichtstrahles auf die reflektierende Fläche der drehbaren Scanner-Optik zu der zentralen Achse (14) des Lichtstrahles (12) nach der Reflexion des Lichtstrahles (12) von der drehbaren Scanner-Optik gemessen wird.

10. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (12) so auf das Eingangsfenster (32) trifft, daß die zentrale Achse (14) des Lichtstrahles (12) normal bezüglich des Eingangsfensters (32) ist, und daß der Lichtstrahl (12) so auf das Eingangsfenster (32) trifft, daß die zentrale Achse (14) des Lichtstrahles (12) colinear zu der Mitte (48) des sphärischen Ausgangsfensters (40) ist.

11. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (12) von der drehbaren Scanner-Optik reflektiert wird, so daß die zentrale Achse (14) des Lichtstrahles (12) colinear zur Mitte (48) des sphärischen Ausgangsfensters (40) ist, und daß der Lichtstrahl (12) so auf das sphärische Ausgangsfenster (40) trifft, daß die zentrale Achse (18) des Lichtstrahles (12) normal bezüglich des sphärischen Ausgangsfensters (42) ist.

12. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationseinrichtung eine Rotationsachse hat, die colinear zur Mitte (48) des sphärischen Ausgangsfensters (40) ist.

13. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (12) so auf das Eingangsfenster (32) trifft, daß die zentrale Achse (14) des Lichtstrahles (12) colinear zur Rotationsachse der Rotationseinrichtung ist.

14. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze des sphärischen Ausgangsfensters (40) einen kreisförmigen oberen Rand bildet und das der Boden des sphärischen Ausgangsfensters einen kreisförmigen unteren Rand bildet, wobei der kreisförmige obere Rand und der kreisförmige untere Rand in Ebenen liegen, die parallel zueinander sind, wobei jede der Ebenen rechtwinklig zu der Rotationsachse der Rotationseinrichtung ist, wobei der kreisförmige obere Rand und der kreisförmige untere Rand Kreise mit Mittelpunkten bilden, wobei die Rotationsachse colinear zu jedem der Mittelpunkte angeordnet ist.

15. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus Einrichtungen zur Befestigung des sphärischen Ausgangsfensters (40) an der Einrichtung zur Rotation der drehbaren Scanner-Optik vorgesehen sind.

16. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus Einrichtungen zur Befestigung des Eingangsfensters (32) an der Spitze des sphärischen Ausgangsfensters (40) vorgesehen sind.

17. Optische Scanner-Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Befestigung des sphärischen Ausgangsfensters (40) an der Einrichtung zur Rotation der Scanner-Optik zusätzlich umfaßt:
eine Befestigung für das sphärische Ausgangsfenster (40); und
einen Vakuumanschluß, der an der Befestigung für das sphärische Ausgangsfenster (40) befestigt ist, wobei der Vakuumanschluß einen Gasaustausch zwischen der Kammer und der umgebenden Umwelt ermöglicht.