DE19752888C2

DE19752888C2 - Micro-optical laser scanner and scanning method

Info

Publication number: DE19752888C2
Application number: DE1997152888
Authority: DE
Inventors: Steffen Gloeckner; Rolf Goering
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2017-11-29
Also published as: DE19752888A1

Description

Die Erfindung betrifft einen mikrooptischen Lasers canner nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a micro-optical laser canner according to the preamble of the main claim.

Mikrooptische Laserscanner werden für zahllose Anwen dungen wie beispielsweise bei der Laserbeschriftung, der Sicherheitstechnik, der Objektverfolgung in der Militärtechnik, der Diagnostik in der Medizintechnik, bei der optischen Inspektion, als Laserradar, für die scannende Mikroskopie oder auch in Registrierkassen als Barcode-Lesegeräte eingesetzt.Micro-optical laser scanners are used for countless applications such as laser marking, security technology, object tracking in the Military technology, diagnostics in medical technology, in optical inspection, as laser radar, for the scanning microscopy or in cash registers used as barcode readers.

Dabei wird Licht eines Lasers auf ein Objekt proji ziert und in einer Rasterbewegung über dieses hinweg geführt, um zum Beispiel auf der Objektoberfläche eine physikalische Änderung hervorzurufen oder um spezielle Informationen über das Objekt zu gewinnen, indem das zurückgestreute oder reflektierte Licht wieder in ein Meßsignal umgewandelt wird. Wichtige optische Kriterien von Scannern sind dabei das Auflö sungsvermögen (Anzahl der auflösbaren Punkte pro Flä cheneinheit), die Punktbildqualität (aufgrund der Beugungsbegrenzung durch die Scanneroptik) sowie der maximale Ablenkwinkel, der den überstreichbaren und untersuchbaren Objektbereich festlegt. Wichtige me chanische Parameter sind dabei die Abtastrate und die -geschwindigkeit sowie die Linearität der Abtastung (Verschiebung des Lichtreflex auf dem Meßobjekt in Abhängigkeit von der Zeit).Light from a laser is projected onto an object adorned and in a raster motion over it led to for example on the object surface to cause a physical change or to to gain special information about the object, by the backscattered or reflected light is converted back into a measurement signal. Important Optical criteria of scanners are the resolution capacity (number of resolvable points per area unit), the point image quality (due to the Diffraction limitation by the scanner optics) and the maximum deflection angle that the paintable and specifies the investigable object area. Important me The parameters here are the scan rate and the -speed as well as the linearity of the scanning (Shift of the light reflex on the measurement object in Dependence on time).

Im Stand der Technik sind zwei Gruppen von Scanner prinzipien bekannt, die sich als konventionelle sowie mikrooptische Scannerprinzipien unterteilen lassen. Die konventionellen Scannerprinzipien, die sich in der Praxis bewährt haben, sind beispielsweise Poly gonscanner, Galvanometerscanner, holographische Scan ner sowie akusto-optische Scanner. Sowohl beim Poly gon- als auch beim Galvanoscanner wird die Ablenkung durch eine Spiegelkippung erreicht. Vorteilhaft ist dabei, daß die Spiegel keine Aberration in die Licht strahlenbündel einführen. Beim holographischen und akusto-optischen Scanner wird die Ablenkung des Lichtstrahles über Oberflächen- oder Volumengitter ausgenutzt, die unter gewissen Bedingungen auch beu gungsbegrenztes Verhalten ermöglichen. Derartige her kömmliche Scanner sind beschrieben bei Leo Beiser "Laser Scanning Notebook" SPIE Optical Engineering Press 1992.In the prior art, two groups of scanner principles are known, which can be subdivided into conventional and micro-optical scanner principles. The conventional scanner principles that have proven themselves in practice are, for example, polygon scanners, galvanometer scanners, holographic scanners and acousto-optical scanners. In both the polygon and galvanoscanners, the deflection is achieved by tilting the mirror. It is advantageous that the mirrors do not introduce any aberration into the light beams. In the holographic and acousto-optical scanner, the deflection of the light beam over surface or volume grids is used, which under certain conditions also enables limited-behavior behavior. Such conventional scanners are described in Leo Beiser's "Laser Scanning Notebook" SPIE Optical Engineering Press 1992 .

Nachteilig bei derartigen herkömmlichen Scannern ist die Größe der Baugruppen, insbesondere der Antriebs komponenten für die beweglichen Bauelemente. Diese Antriebskomponenten müssen obendrein große Kräfte aufbringen, da die zu bewegenden optischen Komponenten sehr schwer sind und mit großen Geschwindigkeiten bewegt werden müssen. Der Energieverbrauch ist dem entsprechend hoch.A disadvantage of such conventional scanners is the size of the assemblies, especially the drive components for the movable components. This On top of that, drive components need a lot of power as the optical components to be moved are very heavy and at high speeds have to be moved. The energy consumption is that correspondingly high.

Bei mikrooptischen Scannern wird die Strahlablenkung beispielsweise durch eine kollimierende Mikrolinse erzeugt, die lateral zu einer abstrahlenden Licht quelle (zum Beispiel einer Lichtleitfaser oder einem Laser) verschoben wird. Dabei ist die Auflösung bei vorausgesetzter beugungsbegrenzter Funktion der Mi krolinse durch das Verhältnis von maximaler Verschie bung der Linse zur Größe der abstrahlenden Quelle gegeben. Der Hauptvorteil mikrooptischer Laserscanner ist, daß kurze Verstellwege von typischerweise 50 bis 500 µm und damit kurze Ablenkzeiten im Millisekunden bereich realisiert werden können. Es bietet sich hier eine Verbindung mit miniaturisierten Aktuatoren an, so daß solche mikrooptischen Laserscanner kleiner als konventionelle Scankörper sind. Allerdings ist durch die Bewegung des Lichtstrahles an den Mikrolinsen die Auflösung auf typischerweise 50 bis 100 begrenzt. Andererseits ergeben sich bei einer Quellengröße von wenigen µm beispielsweise für eine verlangte Auflö sung von 1000 und mehr, wie sie bei herkömmlichen Scannern ohne weiteres möglich ist, Verstellwege von mehreren Millimetern. Mit diesen großen erforderli chen Stellwegen lassen sich jedoch keine kurzen Schaltzeiten zwischen beliebigen Positionen und damit nur eine geringe Geschwindigkeit der Abtastung erzie len.With micro-optical scanners, the beam deflection for example by a collimating microlens generates the lateral to an emitting light source (for example an optical fiber or a Laser) is moved. The resolution is at presupposed diffraction-limited function of the Mi Krolinse by the ratio of maximum displacement Practice the lens to the size of the emitting source given. The main advantage of micro-optical laser scanners is that short adjustment ranges from typically 50 to 500 µm and therefore short deflection times in milliseconds area can be realized. It offers itself here a connection with miniaturized actuators, so that such micro-optical laser scanners smaller than are conventional scan bodies. However, is by the movement of the light beam on the microlenses Resolution typically limited to 50 to 100. On the other hand, with a source size of a few µm, for example, for a required resolution solution of 1000 and more, as with conventional Scanners can easily be adjusted by several millimeters. With these big requisites However, there are no short travel distances Switching times between any positions and thus train only a slow scan speed len.

In einer anderen mikrooptischen Anordnung werden Mi krolinsenarrays in einer konfokalen Anordnung zur Strahlablenkung genutzt, wobei die Arrays gegenein ander in lateraler Richtung verschoben werden. In dieser Anordnung kann die Auflösung bei geringen Stellwegen (unter 1 mm) deutlich verbessert werden. Sie besitzt jedoch den gravierenden Nachteil, daß sie wie ein Beugungsgitter wirkt und mehrere Beugungsord nungen anregt, was zu Energieverlusten des Licht strahlbündels und zu Mehrdeutigkeiten aufgrund meh rerer Meßstrahlen führt. Außerdem kann der Strahl nicht kontinuierlich abgelenkt werden, sondern es können nur diskrete Richtungen, die der Gittergeome trie des Beugungsgitters entsprechen, abgetastet wer den.In another micro-optical arrangement, Mi Krolinsenarrays in a confocal arrangement for Beam deflection used, the arrays against each other be shifted in the lateral direction. In this arrangement can reduce the resolution at low Travel ranges (less than 1 mm) can be significantly improved. However, it has the serious disadvantage that it acts like a diffraction grating and several diffraction orders stimulates what leads to energy loss of light beam and to ambiguities due to meh leads more measuring beams. In addition, the beam not be continuously distracted, but it can only have discrete directions that the lattice geome of the diffraction grating, whoever is scanned the.

Die US 5,161,045 A beschreibt einen Laserscanner mit einer Laserquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls. Das koherente Licht wird dabei durch ein erstes und zweites zweidimensionales planares Linsen-Array ge leitet. Die Linsen-Arrays sind optisch derart gekop pelt, daß das Licht, welches das zweite Array ver läßt, in eine Vielzahl von Beugungsordnungen, bei de nen eine konstruktive Interferenz zwischen den Licht strahlen auftritt, zerlegt wird.No. 5,161,045 A describes a laser scanner a laser source for generating a light beam. The coherent light is represented by a first and second two-dimensional planar lens array ge passes. The lens arrays are optically coupled in this way pelt that the light that ver the second array ver lets, in a variety of diffraction orders, at de constructive interference between the light radiation occurs, is disassembled.

Aus E. A. Watson, Analysis of beam steering with de centered microlens arrays, Optical Engineering, Vol. 32, No. 11, Nov. 1993, S. 2665-2670 ist ein Verfahren für die Lenkung optischer Strahlen beschrieben, bei dem eine Kaskade aus dezentrierten Mikrolinsen einge setzt wird. Die Größenordnung der Lenkung ist dabei vom Ausmaß der Dezentrierung abhängig.From E. A. Watson, Analysis of beam steering with de centered microlens arrays, Optical Engineering, vol. 32, No. 11, Nov. 1993, pp. 2665-2670 is a process described for the guidance of optical rays, at a cascade of decentered microlenses is set. The order of magnitude of the steering is included depending on the degree of decentration.

Aus G. F. McDearmon et al., Comparison of conventio nal and microlens-array agile beam steerers, Procee dings of SPIE, Vol. 2383, S. 167-178 sind Untersu chungen hinsichtlich der optischen und mechanischen Leistungsfähigkeit verschiedener Varianten von beweg lichen Strahlablenkern untersucht. Diese basieren auf refaktiven Mirkolinsen-Arrays im sichtbaren und in fraroten Wellenlängenbereich.From G.F. McDearmon et al., Comparison of conventio nal and microlens array agile beam steerers, Procee dings of SPIE, Vol. 2383, pp. 167-178 are Untersu optical and mechanical Performance of different variants of mov beam deflectors examined. These are based on refactive micro lens arrays in the visible and in infrared wavelength range.

T. D. Milster et. al., Modeling and Measurement of a micro-optic beam deflector, Proceedings of SPIE, Vol. 1625, 1992, S. 78-83 beschreiben den Aufbau eines mi krooptischen Strahlungsablenker. Dieser Ablenker be steht aus zwei Arrays, die in einem Quadratnetz ange ordnet sind.T. D. Milster et. al., Modeling and Measurement of a micro-optic beam deflector, Proceedings of SPIE, vol. 1625, 1992, pp. 78-83 describe the structure of an mi crooptic radiation deflector. This distractor be consists of two arrays arranged in a square network are arranged.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei nen mikrooptischen Laserscanner sowie ein optisches Scanverfahren zur Verfügung zu stellen, die ohne Lei stungseinbuße eine hohe Abtastgeschwindigkeit bei ho her Auflösung ermöglichen.It is therefore an object of the present invention micro-optical laser scanner and an optical one To provide scanning procedures that do not require Lei stungseinbuße a high scanning speed at ho enable resolution.

Diese Aufgabe wild durch den mikrooptischen Laser scanner nach dem Anspruch 1 und durch das Abtastverfahren nach dem Anspruch 10 in Verbindung mit ihren Merkmalen ge löst.This task wildly through the micro-optical laser scanner according to claim 1 and by the scanning method according to the Claim 10 in connection with their features ge solves.

Bei dem hier vorgestellten Abtastverfahren erfolgt die Aufrasterung eines Objektes derart, daß das Ob jekt durch eine erste Scanstufe in grobe Einheiten entsprechend der Auflösung der ersten Scanstufe ein geteilt wird. Durch die zweite und weitere Scanstu fen, die in gleicher Weise kaskadiert sein können, wird jeweils eine der Einheiten der vorangehenden Scanstufe feiner unterteilt und abgetastet entspre chend der Auflösung der zweiten bzw. weiteren Scan stufen. Dies ermöglicht es, mit sehr geringen Stell wegen der einzelnen Scanstufen jeden Punkt im Scan feld rasch und mit geringen Stellbewegungen der Ak tuatoren anzusprechen. With the sampling method presented here the rasterization of an object in such a way that the ob through a first scan stage in rough units according to the resolution of the first scan level is shared. By the second and further Scanstu fen, which can be cascaded in the same way, becomes one of the units of the previous Corresponds to the scan level subdivided and scanned according to the resolution of the second or further scan stages. This makes it possible with very little adjustment because of the individual scan levels every point in the scan field quickly and with small movements of the Ak to address actuators.

Dazu weist der Laserscanner eine aus einem Linsen array mit geeigneter numerischer Apertur bestehende Fokussierungsoptik auf, die zwischen je zwei ver schieblichen mikrooptischen Baugruppen angeordnet ist.For this purpose, the laser scanner has one made of a lens array with a suitable numerical aperture Focusing optics that ver between two ver Slidable micro-optical assemblies arranged is.

Diese Anordnung zweier kaskadierter mikrooptischer, strahlablenkender Baugruppen ermöglicht es, die Vor teile der mikrooptischen Bauweise (Baugröße, Schalt zeiten, Komponentenpreis und Preis des Gesamtsystems) beizubehalten und zugleich das Problem des begrenzten Auflösungsvermögens herkömmlicher mikrooptischer La serscanner zu lösen.This arrangement of two cascaded micro-optical, beam-deflecting assemblies enables the front parts of the micro-optical design (size, switching times, component price and price of the overall system) maintain and at the same time the problem of limited Resolving power of conventional micro-optical La solve scanner.

Durch die Verwendung refraktiver mikrooptischer Bau elemente werden die eingeführten Wellenfrontaberra tionen für den abtastenden Lichtstrahl vernachlässig bar. Mikrooptische Bauelemente sind einfach und mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar und er möglichen auch den Einsatz miniaturisierter Aktuato ren. Sie erlauben insgesamt in Verbindung mit dem er findungsgemäßen Kaskadierungsprinzip eine hohe opti sche Auflösung bei vergleichsweise geringen Verstell wegen der Aktuatoren. Ein derartiger mikrooptischer Laserscanner kann jeden Punkt im Scanfeld sehr schnell ansprechen. Beispielsweise sind für mechani sche Steller wie Piezosteller Schaltzeiten von ca. 1 ms typisch.By using refractive micro-optical construction elements are the introduced wavefront negligible for the scanning light beam bar. Micro-optical components are simple and with comparatively easy to manufacture and he possible use of miniaturized actuators ren. They allow in total in connection with the he inventive cascading principle a high opti cal resolution with comparatively low adjustment because of the actuators. Such a micro-optical Laser scanner can do any point in the scan field very much respond quickly. For example, for mechani switches like piezo switches switching times of approx. 1 ms typical.

Weiterhin besitzt das kaskadierte Scanverfahren nach der vorliegenden Erfindung den Vorteil, daß für die einzelnen optischen verschieblichen Baugruppen einfa che Komponenten verwendet werden können, die in der Herstellung und Montage kostengünstig sind. Durch die kurzen Stellwege, die zwischen 10 µm und wenigen hun dert µm betragen können, sind auch die Stellwege der Aktuatoren klein, so daß auch die Aktuatoren für die verschieblichen Bauelemente kostengünstig und einfach herzustellen sind. Es können hierfür auch Standard aktuatoren, beispielsweise Piezostellelemente, ver wendet werden. Insgesamt ergibt sich auch ein sehr kompakter Aufbau des gesamten mikrooptischen Laser scanners.Furthermore, the cascaded scanning process is based on the present invention has the advantage that for single optical movable assemblies simp che components that can be used in the Manufacturing and assembly are inexpensive. Through the short travel ranges between 10 µm and a few hun derm µm can also be the travel of the Actuators small, so that the actuators for the movable components inexpensively and easily are to be produced. It can also be standard for this actuators, for example piezo actuators, ver be applied. Overall, there is also a very compact design of the entire micro-optical laser scanners.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laserscanners und des erfindungsgemäßen Abtastverfah rens werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.Advantageous further developments of the invention Laser scanner and the scanning method according to the invention rens are given in the dependent claims.

Die zweiten und weiteren verschieblichen Objektbau gruppen weisen vorteilhafterweise ein Objektfeld der art auf, daß sämtliche von der jeweiligen vorherge henden Optikbaugruppe auf der weiteren Optikbaugruppe auftreffenden Lichtstrahlen keine Aberration erfah ren. Es ist hierdurch insgesamt möglich, beugungsbe grenztes Verhalten und damit optimale optische Eigen schaften des gesamten mikrooptischen Laserscanners zu erzielen.The second and further movable object construction groups advantageously have an object field of Art that all of the previous optics module on the other optics module striking light rays experienced no aberration ren. It is thereby possible overall, diffraction limited behavior and thus optimal visual properties of the entire micro-optical laser scanner achieve.

Durch Verwendung einer Redirektionsoptik sowie einer Fokussierungsoptik werden Punkte in einer Ebene gene riert, die äquidistanten Abstand besitzen. Damit wird eine genaue Zuordnung der Rasterpunkte zu den Ablenk winkeln möglich. Bei Verwendung eines Mikrolinsenar rays für die Fokussierungsoptik ergibt sich das Auf lösungsvermögen des Gesamtsystems als Produkt der Auflösungsvermögen der verschieblichen Optikbaugrup pen (Scanstufen) vor und hinter der Mikrolinse. Diese Mikrolinse kann als Einzelkomponent gefertigt werden und im System montiert werden, so daß eine kostengün stige Montage des mikrooptischen Laserscanners mög lich ist. By using redirection optics and one Focusing optics are points in one plane the equidistant distance. So that will a precise assignment of the grid points to the deflection angles possible. When using a microlensar rays for the focusing optics results in the up solvency of the overall system as a product of Resolving power of the movable optics module pen (scan levels) in front of and behind the microlens. This Microlens can be manufactured as individual components and be installed in the system, so that a cost-effective permanent assembly of the micro-optical laser scanner possible is.

Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen mikrooptischen Laserscanner ist, daß durch die Ver wendung von Mikrooptiken, inbesondere für die erste Scanstufe, und den Einsatz eines Mikrolinsenarrays als Fokussierungsoptik Aberrationen der optischen Bündel nur noch eine zu vernachlässigende untergeord nete Rolle spielen.Particularly advantageous in the inventive micro-optical laser scanner is that by the Ver use of micro-optics, especially for the first Scan level, and the use of a microlens array as focusing optics aberrations of the optical Bundle only one negligible subordinate not play a role.

Um Änderungen der optischen Parameter der einzelnen Baugruppen des Laserscanners bei sich ändernden Um weltbedingungen, wie beispielsweise Temperatur oder Luftfeuchtigkeit, zu kompensieren, kann der Lasers canner zusätzlich eine Meßoptik zur Erzeugung eines Regelungssignales enthalten, mit dem die Aktuatoren entsprechend der Ablenkung des Lichtstrahls durch die Optikbaugruppen gesteuert werden. Auf diese Weise können Änderungen des Lichtpfades des Abtastlicht strahles kompensiert werden.To change the optical parameters of each Assemblies of the laser scanner with changing order world conditions, such as temperature or The laser can compensate for humidity canner additionally a measuring optics to generate a Control signals included with which the actuators corresponding to the deflection of the light beam by the Optics modules can be controlled. In this way can change the light path of the scanning light beam can be compensated.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:In the following some embodiments of the described the present invention. Show it:

Fig. 1 einen mikrooptischen Laserscanner, Fig. 1 is a micro-optical laser scanner,

Fig. 2 einen mikrooptischen Laserscanner, Fig. 2 is a micro-optical laser scanner,

Fig. 3 einen mikrooptischen Laserscanner, Fig. 3 is a micro-optical laser scanner,

Fig. 4 einen mikrooptischen Laserscanner unter Verwendung von Spiegeln, Fig. 4 is a micro-optical laser scanner using mirrors,

Fig. 5 den Einsatz einer Feldlinse in einem mikrooptischen Laserscanner nach einer der vorangehenden Figuren, Fig. 5 shows the use of a field lens in a micro-optic laser scanner according to one of the preceding Figures,

Fig. 6 den Aufbau einer Scanstufe eines mikroopti schen Laserscanners nach den Fig. 1 bis 4, Fig. 6 shows the structure of a scanning stage of a micro-optical rule laser scanner according to FIGS. 1 to 4,

Fig. 7 die schematische Beschreibung der Auflösung eines Objektfeldes nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren, und Fig. 7 is a schematic description of the resolution of an object field according to the inventive method SEN, and

Fig. 8 die schematische Beschreibung der Auflösung eines Objektfeldes nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren. Fig. 8 is a schematic description of the resolution of an object field according to the inventive method SEN.

Fig. 1 zeigt einen zweistufigen Laserscanner. Der Laserscanner weist eine Linse 1 auf, die als Kollima tionsoptik, Strahlablenker und erste Scanstufe für ein divergentes Eingangsbündel 2 fungiert. Die Linse 1 ist in beide Richtungen lateral zu diesem Eingangs bündel 2 verschieblich und lenkt das Eingangsbündel 2 auf eine Redirektionsoptik 6 ab. Die Redirektionsop tik 6 besteht aus einer Linse, deren Brennweite unge fähr dem Abstand zu der Linse 1 entspricht. Sie lenkt das Bündel derart um, daß es parallel zur optischen Achse läuft. Der Redirektionslinse 6 ist ein Linsen array 7 mit einer angepaßten numerischen Apertur nachgeordnet, das die auf es einfallenden Lichtbündel fokussiert, wobei in einer Fokusebene 8 dieses Lin senarrays 7 Lichtflecke entstehen. Zu jedem Zeitpunkt wird dabei immer nur eine Linse des Linsenarrays durch ein Lichtbündel ausgeleuchtet. Fig. 1 shows a two-stage laser scanner. The laser scanner has a lens 1 , which acts as a collimation optics, beam deflector and first scan stage for a divergent input beam 2 . The lens 1 is laterally displaceable in both directions to this input bundle 2 and deflects the input bundle 2 onto a redirection optics 6 . The Redirektionsop tik 6 consists of a lens, the focal length approximately corresponds to the distance to the lens 1 . It deflects the bundle in such a way that it runs parallel to the optical axis. The redirection lens 6 is arranged downstream of a lens array 7 with an adapted numerical aperture, which focuses the light beams incident on it, with 7 light spots arising in a focal plane 8 of this lens array. At any given time, only one lens of the lens array is illuminated by a light beam.

Das über die Redirektionsoptik 6 und den Mikrolinsen array 7 fokussierte Licht fällt anschließend auf eine Linse 10, die als zweite Scanstufe ebenfalls in beide orthogonalen, zum Lichtstrahl lateralen Richtungen beweglich ist. Auch diese Linse 10 wirkt als Kollimator und als Strahlablenker. Das Objektfeld dieser Linse ist genügend groß, so daß keine störenden Aber rationen bei Bündeln auftreten, die vom Rand des Mi krolinsenarrays 7 herrühren. Der in Fig. 1 darge stellte mikrooptische Laserscanner weist weiterhin einen Strahlteiler 12 auf, der einen Teil des von der Linse 10 abgelenkten Bündels auf einen Umlenkspiegel 13 leitet. Dieser Teil wird anschließend durch eine Linse 14 auf einen positionsempfindlichen Detektor, einen CCD-Chip 15 fokussiert. Der Detektor erzeugt ein positionsspezifisches Detektorsignal, das an schließend zur Ansteuerung der einzelnen (nicht dar gestellten) Aktuatoren für die Linsen 1 und 10 ver wendet wird. Bei Veränderung der Linsencharakteristi ka oder des Strahlganges insgesamt aufgrund geänder ter Umweltbedingungen wie beispielsweise Luftfeuch tigkeit oder Temperatur kann mit diesem Detektorsi gnal die Positionierung des Lichtstrahls nachgeregelt und die Umwelteinflüsse etc. kompensiert werden.The light focused via the redirection optics 6 and the microlens array 7 then falls on a lens 10 which, as a second scanning stage, is likewise movable in both orthogonal directions that are lateral to the light beam. This lens 10 also acts as a collimator and as a beam deflector. The object field of this lens is large enough so that no disturbing rations occur with bundles that originate from the edge of the lens array 7 . The micro-optical laser scanner shown in FIG. 1 furthermore has a beam splitter 12 which directs a part of the bundle deflected by the lens 10 onto a deflecting mirror 13 . This part is then focused by a lens 14 onto a position-sensitive detector, a CCD chip 15 . The detector generates a position-specific detector signal, which is then used to control the individual actuators (not shown) for the lenses 1 and 10 . When changing the lens characteristics or the beam path as a whole due to changed environmental conditions such as humidity or temperature, the positioning of the light beam can be readjusted with this detector signal and the environmental influences etc. compensated.

Der von dem Strahlteiler 12 durchgelassene Licht strahl fällt anschließend auf ein nicht dargestelltes Objekt, das folglich über die Bewegung der Linsen 1 und 10 abgetastet oder beschrieben wird.The light beam transmitted by the beam splitter 12 then falls on an object (not shown), which is consequently scanned or described via the movement of the lenses 1 and 10 .

Bei der Beschreibung der folgenden Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Bauelemente wie in Fig. 1, so daß auf ihre weitere Beschreibung jeweils verzichtet wird.In the description of the following figures, the same reference numerals designate the same components as in FIG. 1, so that their further description is omitted in each case.

Fig. 2 zeigt einen weiteren mikrooptischen Laserscan ner, bei dem einfallendes paralleles Laserlicht 3 durch eine Fokussierungslinse 5 in ein fokussiertes paralleles Eingangsbündel 4 umgewandelt wird und die ses anschließend als Eingangsbündel auf die Linse 1, die die erste Scanstufe darstellt, fällt. Die weitere Vorrichtung ist dieselbe wie in Fig. 1. Fig. 2 shows another micro-optical Laserscan ner, in which incident parallel laser light 3 is converted by a focusing lens 5 into a focused parallel input beam 4 and the ses then falls as an input beam on the lens 1 , which represents the first scanning stage. The other device is the same as in FIG. 1.

Fig. 3 zeigt einen weiteren mikrooptischen Laserscan ner wie in Fig. 1, wobei jedoch die Redirektionsoptik aus einem Prismenarray 6a aus verschiedenen Prismen besteht. Die weitere Vorrichtung ist dieselbe wie in Fig. 1. Fig. 3 shows another micro-optical Laserscan ner as in Fig. 1, however, the redirection optics from a prism array 6 a consists of different prisms. The other device is the same as in FIG. 1.

Fig. 4 zeigt einen weiteren mikrooptischen Laserscan ner, bei dem ein einfallendes paralleles Eingangsbün del 3, das beispielsweise von einem Laser herrührt, durch einen Spiegel 18 umgelenkt wird. Bei diesem Laserscanner sind folglich die Scanstufen durch kipp bare Spiegel 18 bzw. 19 für die erste Scanstufe bzw. zweite Scanstufe realisiert. In diesem Falle ist vor der zweiten Scanstufe 19 eine Kollimationslinse not wendig, in deren hinterer Brennebene sich der Spiegel 19 der zweiten Scanstufe befindet. Die weitere Vor richtung ist dieselbe wie in Fig. 1. Fig. 4 shows another micro-optical Laserscan ner, in which an incident parallel input beam del 3 , which originates, for example, from a laser, is deflected by a mirror 18 . In this laser scanner, the scanning stages are consequently realized by tiltable mirrors 18 and 19 for the first scanning stage and second scanning stage, respectively. In this case, a collimation lens is necessary before the second scanning stage 19 , in the rear focal plane of which the mirror 19 of the second scanning stage is located. The other direction is the same as in Fig. 1st

Die bei den zuvor beschriebenen Figuren als zweite Scanstufe verwendete Linse 10, die gleichzeitig als Kollimator und Strahlablenker wirkt, wenn sie durch Aktuatoren lateral zum Strahl verschoben wird, benö tigt ein Objektfeld, das genügend groß ist, damit alle Bündel, auch die von den Linsen am Rande des Linsenarrays 7 kommenden Lichtbündel, keine oder ver tretbare Aberrationen aufweist. Dieses Problem kann, wie in Fig. 5 gezeigt, durch die Verwendung einer Feldlinse 11 gelöst werden, wobei die Feldlinse 11 in der Fokusebene 8 des Linsenarrays angeordnet ist. Hierdurch wird die Ausleuchtung der Linse 10 der zweiten Scanstufe wesentlich verbessert. The lens 10 used in the previously described figures as a second scanning stage, which simultaneously acts as a collimator and beam deflector when it is displaced laterally to the beam by actuators, requires an object field which is large enough so that all bundles, including those from the lenses on the edge of the lens array 7 coming light bundle, has no or ver verifiable aberrations. As shown in FIG. 5, this problem can be solved by using a field lens 11 , the field lens 11 being arranged in the focal plane 8 of the lens array. As a result, the illumination of the lens 10 of the second scanning stage is significantly improved.

Fig. 6 zeigt den Aufbau einer Scaneinheit, bei spielsweise der ersten oder der zweiten oder weiterer Scaneinheiten aus zwei einzelnen Linsen. Im Gegensatz zu den in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Scanopti ken kann jede zweidimensionale Scaneinheit auch aus zwei einzelnen Linsen 17 und 18 bestehen, wobei je weils eine der Linsen in einer Richtung verschieblich ist. Sofern beide Linsen 17 und 18 in jeweils zuein ander orthogonalen Richtungen verschieblich sind, läßt sich durch die Anordnung zweier derartiger Lin sen 17 und 18 der einfallende Lichtstrahl in jede beliebige Richtung zweidimensional ablenken, so daß auch durch diese Anordnung ein zweidimensionaler Laserscanner realisiert werden kann. Vorteilhaft hieran ist, daß einfach gebaute und kostengünstig herstellbare lineare Aktuatoren für jede der einzel nen Linsen verwendet werden können. Fig. 6 shows the structure of a scanning unit, for example the first or the second or further scanning units from two individual lenses. In contrast to the scan optics shown in FIGS . 1 to 5, each two-dimensional scan unit can also consist of two individual lenses 17 and 18 , with one of the lenses being displaceable in one direction. If both lenses 17 and 18 are displaceable in each other's orthogonal directions, the arrangement of two such lines 17 and 18 allows the incident light beam to be deflected two-dimensionally in any direction, so that a two-dimensional laser scanner can also be realized by this arrangement. The advantage of this is that simply constructed and inexpensive to manufacture linear actuators can be used for each of the individual lenses.

Fig. 7 zeigt die Abtastung eines Objektfeldes 21 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Objektfeld 21 wird durch die Ablenkung des Lichtstrahls in der ersten Scanstufe in einzelne Rasterstufen (Pixel) 22 aufgeteilt. Dabei entspricht die Geometrie des ein zelnen Pixels der Geometrie des Linsenarrays. In dem dargestellten Beispiel wird durch ein rechteckiges Linsenarray eine rechteckige Rasterung in der ersten Scanstufe erzielt. Es sind jedoch auch hexagonale oder andere beliebig geformte Rasterungen möglich. Das gesamte in Fig. 7A dargestellte Scanfeld besteht folglich aus einzelnen Rasterstufen 22. Fig. 7B stellt eine derartige Rasterstufe 22 dar. Dieses Pi xel 22 wird nunmehr durch die Ablenkung des Abtast strahles in der zweiten Scanstufe in die Richtungen 23A und die darauf orthogonal stehende Richtung 23B abgetastet. Mit der zweiten Scanstufe wird dadurch erreicht, daß innerhalb eines einzelnen Pixels der ersten Scanstufe ein deutlich feiner und kontinuier licher zweidimensionaler Laserscanner in die beiden Richtungen 23A und 23B ausgeführt wird. Fig. 7 shows the scanning an object field 21 according to the inventive method. The object field 21 is divided into individual raster stages (pixels) 22 by the deflection of the light beam in the first scan stage. The geometry of the individual pixel corresponds to the geometry of the lens array. In the example shown, a rectangular grid in the first scan stage is achieved by a rectangular lens array. However, hexagonal or other arbitrarily shaped screens are also possible. The entire scan field shown in FIG. 7A consequently consists of individual raster stages 22 . FIG. 7B illustrates such a raster stage 22. This Pi xel 22 is now replaced by the deflection of the scanning beam in the second scanning stage in the directions of 23 A and the subsequent orthogonal standing direction sampled 23 B. The second scan stage is achieved in that a clearly fine and continuous two-dimensional laser scanner is executed in the two directions 23 A and 23 B within a single pixel of the first scan stage.

Anders formuliert, wird zunächst mit der ersten Scanstufe ein Pixel eines groben Rasters adressiert und anschließend innerhalb dieses Pixels die Fein struktur (beim Kennzeichnen eines Objektes beispiels weise ein Buchstabe) geschrieben oder beim Abtasten eines Textes beispielsweise ein Buchstabe gelesen. Danach wird ein anderes Pixel des groben Rasters adressiert und so weiter. Dieses Schreiben eines Buchstabens durch Grob- und Feinrasterung mittels zweier Scanstufen ist in Fig. 8 dargestellt.In other words, a pixel of a coarse grid is first addressed with the first scan level and then the fine structure (for example, a letter when marking an object) is written within this pixel or, for example, a letter is read when scanning a text. Then another pixel of the coarse grid is addressed and so on. This writing of a letter by coarse and fine screening by means of two scanning stages is shown in FIG. 8.

Prinzipiell ist auch eine weitere Kaskadierung durch zusätzliche Scaneinheiten möglich, um die Gesamtauf lösung weiter zu steigern. Zu beachten ist dabei, daß mittels dieses Abtastverfahrens auch eine kontinuier liche Abtastung bzw. Scannen eines Objektes möglich ist, da die letzte Scanstufe kontinuierlich durchge führt werden kann.In principle, further cascading is also possible additional scanning units possible to cover the total to further increase the solution. It should be noted that by means of this scanning method also a continuous Liche scanning or scanning an object possible is because the last scan stage is continuous can be led.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel wurde eine Eingangsstrahlung mit einer Wellenlänge von 630 nm und einem Fokusdurchmesser von 2 µm verwendet. Die erste Scanlinse 1 transformiert dieses Bündel in ein Bündel mit etwa 100 µm Durchmesser auf dem Redirektor 6 bzw. dem Linsenarray 7. Das Linsenarray 7 besteht aus 50 × 50 Linsen mit einer Größe von jeweils 100 µm auf einem rechteckigen Raster. Das Bündel leuchtet folglich im wesentlichen jeweils nur einzelne Linse des Linsenarrays 7 aus. In the example shown in FIG. 1, input radiation with a wavelength of 630 nm and a focus diameter of 2 μm was used. The first scan lens 1 transforms this bundle into a bundle with a diameter of approximately 100 μm on the redirector 6 or the lens array 7 . The lens array 7 consists of 50 × 50 lenses, each with a size of 100 μm on a rectangular grid. The bundle consequently essentially only illuminates individual lenses of the lens array 7 .

Die Linse 1, die die erste Scanstufe darstellt, ist in zwei zueinander senkrechten Ebenen lateral zum einfallenden Lichtstrahl um jeweils 100 µm bewegbar. Dies entspricht gemäß dem Fokusdurchmesser der Ein gangsstrahlung einer Auflösung der ersten Scanstufe von 100 µm/2 µm ist gleich 50.The lens 1 , which represents the first scanning stage, can be moved laterally to the incident light beam by 100 μm in two mutually perpendicular planes. According to the focus diameter of the input radiation, this corresponds to a resolution of the first scan stage of 100 µm / 2 µm is equal to 50.

Die Linsen des Linsenarrays 7 besitzen eine numeri sche Apertur von etwa 0,25 und fokussieren das auf sie einfallende Licht wieder auf einen Fokusdurchmes ser von ca. 2 µm.The lenses of the lens array 7 have a numerical aperture of approximately 0.25 and focus the light incident on them again to a focus diameter of approximately 2 μm.

Die zweite Scanlinse 10, die für ein Objektfeld von 5 × 5 mm im Quadrat entsprechend der Größe des Lin senarrays korrigiert ist, ist ebenfalls in zwei zu einander senkrechten Ebenen lateral zum einfallenden Lichtstrahl um jeweils 100 µm bewegbar. Dies ent spricht wiederum entsprechend dem Fokusdurchmesser der Eingangsstrahlung einer Auflösung von ebenfalls 100 µm/2 µm ist gleich 50.The second scanning lens 10 , which is corrected for an object field of 5 × 5 mm square corresponding to the size of the lens array, can also be moved laterally to the incident light beam by 100 μm in two mutually perpendicular planes. This corresponds to the focus diameter of the input radiation and a resolution of 100 µm / 2 µm is equal to 50.

Mit der ersten Linse 1 wird nun jeweils eine einzelne Mikrolinse des Linsenarrays 7 beleuchtet und eine Grobeinheit (Pixel) der ersten Scanstufe adressiert. Mit der zweiten Scanstufe wird die derart adressierte Grobeinheit der ersten Scanstufe entsprechend der Auflösung der zweiten Scaneinheit wiederum in viele kleinere Einheiten unterteilt. Insgesamt ergibt sich eine eindimensionale Auflösung von 50 × 50 = 2500. Werden die Aktuatoren, die die beiden Linsen 1 und 10 bewegen und die in den Figuren nicht dargestellt wur den, aufeinander abgestimmt bewegt, so läßt sich mit dem in der Fig. 1 dargestellten mikrooptischen Laserscanner ein Scanfeld mit 2500 × 2500 Punkten Auflösung abtasten. Dadurch, daß jede der Linsen in jede der Richtungen nur um maximal fünfzig Schritte verschoben werden muß, kann jeder einzelne Punkt des Scanfeldes mit sehr kurzer Schaltzeit abgetastet wer den.A single microlens of the lens array 7 is now illuminated with the first lens 1 and a coarse unit (pixel) of the first scanning stage is addressed. With the second scan stage, the rough unit of the first scan stage addressed in this way is again divided into many smaller units in accordance with the resolution of the second scan unit. Overall, there is a one-dimensional resolution of 50 × 50 = 2500. If the actuators, which move the two lenses 1 and 10 and which were not shown in the figures, are moved with one another in a coordinated manner, then the one shown in FIG. 1 can be used micro-optical laser scanners scan a scan field with 2500 × 2500 points resolution. Because each of the lenses only has to be shifted by a maximum of fifty steps in each of the directions, each individual point of the scan field can be scanned with a very short switching time.

Claims

1. Micro-optical laser scanner with a laser source for generating a light beam ( 2 ) and a first arranged in the path of this light beam, laterally displaceable to the laser source, refractive micro-optical assembly ( 1 ) and an actuator for moving the displaceable micro-optical assembly ( 1 ), the first displaceable micro-optical assembly ( 1 ) downstream in the path of the light beam, at least one further displaceable refractive micro-optical assembly ( 10 ) is arranged, which can be displaced by at least one further actuator, with the laser light beam between each two displaceable micro-optical assemblies a focusing optics ( 7 ) from a lens array with a suitable numerical aperture is arranged as a focusing component.

2. Laser scanner according to claim 1, characterized in that each further ver movable micro-optical assembly ( 10 ) has an object field, so that all of the previous movable micro-optical construction group ( 1 ) impinging on the further movable mi-optical assembly ( 10 ) Light emits no or only slight aberrations.

3. Laser scanner according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the laser light beam between two displaceable micro-optic assemblies ( 1 , 10 ) a redirection optics ( 6 ) for deflecting the light beam arranged parallel to the optical axis of the micro-optical assemblies is.

4. Laser scanner according to claim 3, characterized in that the redirection op tik an array of prisms with different prisms and / or a lens whose focal length is approximately the distance to the upstream micro-optical Corresponds to the assembly.

5. Laser scanner according to at least one of the preceding claims, characterized in that a field lens ( 20 ) for improving the illumination of the movable micro-optical module ( 10 ) is arranged in the light beam in front of the movable micro-optical modules.

6. Laser scanner according to at least one of the previous ones existing claims, characterized in that the movable micro-optical assembly one-dimensional or two-dimensionally displaceable refractive, mi has crooptic components.

7. Laser scanner according to at least one of the preceding claims, characterized in that a measuring optics ( 12 to 15 ) is provided for generating a control signal for the actuators corresponding to the deflection of the light beam by the displaceable micro-optic assembly.

8. Laser scanner according to at least one of the previous ones existing claims, characterized in that the micro-optical Assemblies at least partially as radiant kende components microlenses, microlens arrays and / or have mirrors.

9. Laser scanner according to at least one of the previous ones existing claims, characterized in that the micro-optical Assemblies at least partially distracting and / or have collimating lenses.

10. Scanning method for capturing or writing of an object, with a laser light beam with a moveable, refractive microop table assembly for the first time is steered that he over the object to be scanned sweeps the laser light beam before hitting the Object then at least a second time of a second movable, refractive micro-optical assembly is deflected, wherein the deflected laser light beam before the next one Distraction is focused.

11. Scanning method according to claim 10, characterized in that the distracted La light beam before the next distraction is directed.

12. Scanning method according to at least one of the An sayings 10 or 11, characterized in that the position of La light beam is determined and the respective current distractions regulated according to this position become.