DE2042508B2 - Vorrichtung zum Verstärken der Abhängigkeit der Winkeländerung eines optischen Ausfallstrahls von Winkeländerungen des zugehörigen Einfallstrahls - Google Patents
Vorrichtung zum Verstärken der Abhängigkeit der Winkeländerung eines optischen Ausfallstrahls von Winkeländerungen des zugehörigen EinfallstrahlsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstärken der Abhängigkeit der Winkeländerungen eines
optischen Ausfallsstrahls von Winkeländerungen des zugehörigen Einfallsstrahls, bei der der Einfallsstrahl auf
einen Einfallsspiegel trifft und von diesem gegebenenfalls mehrfach mit einem gegenüberstehenden zweiten
Spiegel hin- und hergespiegelt wird und zwischen diesen beiden Spiegeln eine Linsenoptik angeordnet ist deren
beiden äußere Brennpunkte in den Spiegelflächen dieser beiden Spiegel liegen.
Bei einer bekannten VtiTichtu-ig dieser Art wird der
Strahl an einem ersten Spiegel, dem Einfallsspiegel, in die Vorrichtung eingespiegelt und erläßt die Vorrichtung
an einem anderen Spiegel, dem Ausfallsspiegel, der räumlich getrennt vom Einfallsspiegel angeordnet ist
Es sind optische Geräte bekannt, bei denen die Winkellage eines Spiegels anhand der Auslenkung des
Reflexionsstrahles angezeigt werden soll, wie dies zum Beispiel bei optisch anzeigenden Galvanometern üblich
ist
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sie für
solche Spiegel günstig einsetzbar ist
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallsspiegel zugleich der Ausfallsspiegel ist.
Nach der Erfindung kann ein vorgegebener Galvanometerspiegel als Einfall- und Ausfallspiegel belassen
bleiben. Fügt man die Vorrichtung nach der Erfindung hinzu, dann wird an dem übrigen Galvanometerstrahlengang
nichts geändert, es wird nur die Winkelabhängigkeit verstärkt Man kann also eine Vorrichtung nach
der Erfindung vorteilhaft als einfaches Zusatzgerät zu eimer vorhandenen Spiegelanzeige einsetzen. Beim
Stande der Technik dagegen ist das nicht möglich. Man müßte dort entweder den Reflexionsstrahl des Galvanometerspiegels
in die Vorrichtung nach der Erfindung einspiegeln, erhält dann aber einen Ausgangsstrahl, der
von einer ganz anderen Stelle, nämlich seitlich versetzt, ausgeht. Entsprechendes ist auch der Fall, wenn man
den Einfallsspiegel aus dem Stand der Technik durch den Galvanometerspiegel ersetzt.
Bei der Erfindung wird der Verstärkungsgrad bestimmt durch die Anzahl der Hin- und Herspiegelung
des Strahls vor dem Ausfall. Auf diesem Umstand beruht eine Weiterbildung, die es gestattet, auf sehr einfache
Weise den Verstärkungsgrad zu verstellen. Diese
In manchen Fällen dient der Ausfallstrahl zur Abtastung und soll zu diesem Zweck zeilenweise oder
rastermäßig abgelenkt werden. Diese Ablenkung kann man mit der Erfindung bewerkstelligen, indem man die
beteiligten Reflexionsflächen entsprechend verstellt Eine dementsprechende Weiterbildung ist Gegenstand
des Anspruchs 3.
Man kann den die Verstärkung bewirkenden Strahlengang auch durch eine abgeänderte Optik
erzielen, die Gegenstand des Anspruchs 4 ist
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert In der Zeichnung zeigt
Fig. la das erste Ausführungsbeispiel abgeändert indem der eine Reflexionsspiegel und die zugehörige
Sammellinse durch ein Prisma ersetzt ist
F i g. 3 bis 5 Diagramme zum Strahlenverlauf, anhand derer die Wirkungsweise der Ausführungsbeispiele und
der erwähnten Abänderung erläutert werden.
Die Ablenkvorrichtung nach F i g. 1 weist einen Spiegel Mi, der im Abstand der Brennweite f\ von einer
Linse L\ angeordnet ist, auf. Außerdem ist eine zweite Linse L2 vorgesehen, die an der anderen Seite der Linse
L\ im Abstand der Summe der beiden Brennweiten /1 +/2 der beiden Linsen L\ und L2 zu der erst genannten
Linse angeordnet ist. Auf der anderen Seite der zweiten Linse L2 ist ein zweiter Spiegel Af2 im Abstand der
Brennweite Z2 der zweiten Linse L2 angeordnet. Die
Spiegel und Linsen sind mit einer gemeinsamen optischen Achse Au die sich in Z-Richtung erstreckt,
angeordnet. Bei dem Spiegel Mt handelt es sich um
einen Ablenkspiegel, der um den Brennpunkt der Linse Li schwenkbar gelagert ist. Die Ablenk- oder Abtastachse
Ai, um die der Spiegel schwenkt, erstreckt sich
senkrecht zur Zeichenebene, aiso in K-Richtung des oben in F i g. 1 eingezeichneten Koordinatensystems.
Die Vorrichtung nach F i g. 1 ist, um die Beschreibung zu erleichtern, zweidimensional. In der Brennebene der
Linse L2, in der sich der Spiegel M2 in der ΛΎ-Ebene
befindet, wird der Ablenkspiegel M\ abgebildet. Der Spiegel AZ2 reflektiert und bildet ein zweites aufrechtes
Bild auf dem Spiegel M1 ab. Da der Spiegel M2 in der
ΛΎ-Ebene angeordnet ist, erstreckt sich seine Flächennormale AZ2 parallel zur optischen Achse A1. Ein
kolinearisierter Laserstrahl, also ein Laserparallelstrahl, fällt im Punkt P\ auf den Ablenkspiegel und wird auf die
Linse L\ reflektiert und durchläuft von da das optische System zwischen den Punkten P\ und Pt mehrmals. Bei
jeder Reflektion am Ablenkspiegel M\ im Punkt P\ wächst der Ablenkwinkel. Im Zuge dessen wird der
Ablenkwinkel schließlich so groß, daß der reflektierte Strahl schließlich aus dem System heraus reflektiert
wird. Bei Ablenksystemen für kleine Ablenkwinkel kann man nach diesen Prinzipien eine erhebliche Steigerung
des Ablenkwinkels erzielen, ehe der Laserstrahl den Rand der Linse erreicht Alle Strahlen, die in F i g. 1
eingezeichnet sind, verlaufen in der Zeichenebene.
Soweit es die bisherige Beschreibung der F i g. 1 angeht ist also keine Voraussetzung gemacht worden,
darüber, wie der Strahl in das Linsenspiegelsystem eingeführt wird und auf welche Weise die Ablenkwinkelzunahme
bestimmt wird. Dies wird nun anhand der Fig.2 erläutert, in der eine Vorrichtung nach der
J1 Erfindung dargestellt ist, bei der der Ablenkspiegel
i| gegenüber dem aus F i g. 1 um 90 Grad um die optische
'if Achse A\ gedreht ist und um eine Verstärkungsachse Aj
% gekippt ist In Fig. 1 ist die Zeichenebene die
vi ΛΖ-Ebene, dagegen in F i g. 2 die KZ-Ebene, in der auch
ι« der Brennpunkt P\ liegt Der Ablenkspiegel M\ ist so
p gestellt, daß die Projektion seiner Normalen M auf die
% KZ-Ebene einen Winkel Φ mit der optischen Achse A\
$1 einschließt Die Folge ist, daß der einfallende Laserpa-
» ausfällt Durch entsprechende Wahl der Größe des m
':- Winkels Φ kann man die Anzahl der Durchläufe des
β Lichtstrahls bestimmen. Den Spiegel stellt man auf den
bestimmten Winkel Φ ein, indem man ihn um die
Verstärkungsachse Aj dreht, die aus der Zeichenebene
heraus ragt und den Punkt P\ durchsetzt Die Achse Aj j5
liegt vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise in der ΛΖ-Ebene. Die Achse At bleibt vorzugsweise in der
YZ-Ebene, wenn der Ablenkspiegel M\ um die Achse A2
gedreht wird, was, da jedoch die Achsen At und At nicht
;. lotrecht zueinander stehen, erfordert, daß sich die Achse
A3 in X-Richtung senkrecht zur Zeichenebene erstreckt
v Der Betriebsweise liegt eine Theorie zugrunde, die
η nun anhand der Fig.3 erläutert wird, in der stark
; vergrößert im Querschnitt der Ablenkspiegel Mt und die
erste Linse Li dargestellt sind. Wie bei F i g. 2 erfolgt die
: Ablenkung des Spiegels M\ um die Achse At, die in der
Zeichenebene liegt Die Linse Lq und der Spiegel Mt sind
in F i g. 3 nicht dargestellt, weil sie hier nur die Funktion haben, den Strahl entlang einer Bahn zurück zu werfen,
die gegenüber dem ankommenden Strahl symmetrisch zur optischen Achse A\ liegt. Um die Beschreibung zu
erleichtern wird nun davor ausgegangen, daß man den Laserparallelstrahl als einen einzigen Strahl betrachten
kann und daß die Linsen in allen Bezirken optisch ideal sind.
Nach F i g. 3 werden die Winkellagen bezogen auf die optische Achse des einfallenden und des reflektierenden
Strahls der n-ten Reflektion am Ablenkspiegel M\ mit <P„ und Ψ η bezeichnet. Der halbe öffnungswinkel der
Linse L\ ist mit « bezeichnet und mit Φ ist wieder die m>
Winkelposition der Flächennormalen des Ablenkspiegels M\ gegenüber der optischen Achse A, bezeichnet.
Es besteht zwischen den genannten Winkeln folgende Beziehung:
sowie
Die letztgenannte Beziehung hängt von der Linse L2
und dem Spiegel Mi ab. Es ergibt sich mithin
V, =20-«,
Vis =20 -(-J2 = 4'/'-«,
Vis =20 -(-J2 = 4'/'-«,
(Gleichung
'Λ , Ψ1 ■
ui
Die ganze Zahl G gibt die gesaute Zahl der Reflektionen des Strahls am Spiegel M\ an. Der
Abtastwinkel des Ablenksystems wird mithin durch den Faktor G vergrößert, der als Vergrößerungsfaktor des
System; definiert werden kann.
Ein interessantes Ergebnis erzielt man, wenn man die
Gleichung 1 umschreibt, indem nun Bg dem Einfallswinkel für eine Verstärkung von G entspricht
= G0.
(Gleichung 2)
Dies bedeutet, daß G Φ dem Durchschnittswert von Ψα und Bg entspricht. Man kann also eine Linie unter
dem Winkel von G Φ als die effektive Normale des Spiegels M1 ansehen, da der Einfalls- und der
Ausgangswinkel symmetrisch zu eben dieser Linie liegen.
Weiterhin bedeutungsvoll ist bei einer Ablenkvorrichtung nach der Erfindung, die Begrenzung des
Bereichs der Eingangs- und Ausgangswinkel, die von dem öffnungswinkel der Linse L1 abhängig ist Dies
wird anhand der F i g. 4 erläutert, wo unter dem Winkel
θ (min) der Einfallsstrahl gerade den Rand der Linse
passiert Unter dem anderen Extremwinkel, nämlich θ (max) trifft bereits der erste am Spiegel M\ reflektierte
Strahl auf den unteren Rand der Linse. Da für den Ausfallswinkel die gleichen Grenzwerte gelten, bestehen
die Beziehungen
< (■> <
Λ + 2 0
(Gleichung 3)
Daraus ergeben sich zwei Bedingungen: Die erste Bedingung besagt, oaß der Maximalwinkel zwischen Bg
und <PG gleich 2Φ ist. Setzt man den Maximalwert von
Bg und den Minimalwert von Φα in die Gleichung 2 ein,
dann ergibt sich:
»n- - Vn-I
= G0, (Gleichung 4) >
= (G- 1)0.
Wenn λ ein ganzzahliges Vielfaches von Φ ist, dann
ergibt sich eine einzige effektive Normale in der Mitte des EingangsVAusgangsbereichs.
Das zweite aus Gleichung 3 abzuleitende Ergebnis ergibt sich, wenn der halbe Öffnungswinkel kein
ganzzahliges Vielfaches von Φ ist, also
*tMG-I)*. (Gleichung 5)
Daraus folgt, daß wenn Φ abnimmt, .-» innerhalb
des Bereichs
(G-I)0<*<G<7>
(Gleichung 6)
to
liegt. An der oberen Grenze λ-G Φ wiederholt sich die
Situation nach Gleichung 4, aber mit einer um eine Einheit vergrößerten Verstärkung. In entsprechender
Weise kann Φ anwachsen bis « = (G-2)4>
nach r. Gleichung 4 in einer um eine Einheit verringerten Verstärkung resultiert. In jedem Fall liegen für einen
bestimmten Wert von Φ maximal zwei effektive Normalen im Eingangs-/Ausgangsbereich gemäß Gleichung
3 vor. Nach Gleichung 6 liegt eine effektive >n Normale unter GΦ und eine zweite unter (Ο+1)Φ
entsprechend den Verstärkungen G und G+ I vor. Ein Teil des EingangsVAusgangsbereichs ist jeweils den
Gleichungen 2 und 3 zugeordnet.
Man hat also maximal zwei Verstärkungswerte für r> einen vorgegebenen Wert von Φ. Da jedoch die
maximale Abweichung des Einfalls- und des Ausfallsstrahls oft wünschenswert ist, wählt man vorzugsweise
die Bedingungen der Gleichung 4. Wenn man die Halbwinkelöffnung der Linse konstant hält, dann muß jo
der Winkel Φ kleiner werden und die Verstärkung größer. Die Folge ist eine entsprechende Abnahme des
Eingangs-/Ausgangsbereichs bei großen Verstärkungsfaktoren.
Wenn man diese Bedingungen auf eine tatsächliche j->
Vorrichtung anwendet, erkennt man die Grenzen. F i g. 5 zeigt die Eingangsseitc einer praktischen
Vorrichtung nach der Erfindung. Der Winkel Δα. ist der Teil des Eingangswinkels, der wegen der verschiedenen
Faktoren unbrauchbar ist. Diese Faktoren sind bedingt 4 η durch die Linsenmontage. Da die Eingangs- und
Ausgangswinkel zu einer effektiven Normalen symmetrisch sind, muß man von den Eingangs/Ausgangswinkeln
noch einen zusätzlichen Winkelbetrag Δχ abziehen.
Der unbrauchbare Eingangs-/Ausgangswinkelbereich 4·,
für eine praktische Vorrichtung beträgt also 2(Φ — Δ&).
Der Höchstwert der Verstärkung G ist begrenzt durch die Bedingung Φ
> Δ<χ.
Ein Optimum ergibt sich für eine Ablenkvorrichtung, wenn « maximal und Δ/χ minimal ist. Das ist der Fall für
Linsen mit einer kurzen Brennweite und einem Linsendurchmesser der groß ist im Vergleich zum
Durchmesser des einfallenden Laserstrahls. Der Strahldurchmesser wird durch die Blendenöffnung des
Spiegels M\ bestimmt Da man außerdem eine Vielzahl von Hin- und Herspiegeiungen innerhalb des Linsensystems
benötigt, sollten die Linsen über ihre gesamte Blendenöffnung gut korrigiert sein.
Es sind eine Vielzahl von Abänderungen der Ablenkvorrichtung nach der Erfindung möglich. Eine eo
Abänderung beruht darauf, daß man den Spiegel M2
gemäß Fig.2 um eine durch den Brennpunkt P2
laufende Achse A4 schwenkt und den Spiegel M2
stillstehen läßt In diesem FaU ist der Spiegel M1 der
Eingangs-/Ausgangsspiegel, der mit dem Wert für Φ
den Verstärkungfaktor G bestimmt Der Verstärkungsfaktor
wird jedoch um eine Einheit verringert, da eine Reflektion weniger am Spiegel M2 als am Spiegel M\
stattfindet.
Bei einer anderen Abänderung sind die beiden Spiegel M\ und M2 schwenkbar um die Brennpunkte der
zugeordneten Linsen. Wenn man die Schwenkungen in richtiger Phasenbeziehung vornimmt und beide Rotationsachsen
A2 und A* in der ΛΖ-Ebene liegen, dann
ergibt sich eine Ablenkung von insgesamt (2G-1), wobei G der Verstärkungsfaktor ist, der sich bei
Verwendung des Spiegels M1 allein ergeben würde.
Wenn andererseits die Achsen Aj und AU, um die die Spiegel M\ und M2 geschwenkt werden, lotrecht
zueinander stehen, dann kann der Ausgangsstrahl ein Raster schreiben, das durch die Schwenkungen der
beiden Spiegel bestimmt ist.
Es sei noch einmal wiederholt, daß bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der der Spiegel M1
der Ablenkspiegel ist und der Spiegel M2 fest steht, die
Hauptfunktion der Linse L2 und des Spiegels M2 darin
besteht, den Spiegel M\ auf sich selbst abzubilden. Wenn dies der Fall ist, dann ist es auch möglich, bei bestimmten
Anwendungsfällen — wie in Fig. IA angedeutet — die Linse L2 und den Spiegel M2 durch ein totalreflektierendes
Prisma 10 — ein dachförmiges Prisma — zu ersetzen, um damit das gleiche Ergebnis zu erzielen. Das
Prisma 10 ist mit seiner größten Seite oder der Hypothenus«nfläche 11 senkrecht zur optischen Achse
A\ der Linse Lx angeordnet und das Licht wird innerhalb
des Prismas von der einen kurzen Seite 12 zur anderen kurzen Seite 13 total reflektiert und fällt dann über die
Hypothenusenfläche 11 wieder aus. Das Prisma 10 wird
mit seinem Apex im Abstand der Brennweite neben der Linse Li angeordnet, wobei natürlich der Lichtweg
innerhalb des Glases des Prismas in Betracht zu ziehen ist. Der Brennpunkt liegt innerhalb des Prismas 10 auf
der Winkelhalbierenden, die mit der Verlängerung der optischen Achse A \ zusammenfällt.
Die Erfindung bietet eine Vielzahl von Vorzügen. Zunächst ergibt sich ein Ablenkwinkel der größer ist als
derjenige bei bekannten Ablenkvorrichtungen. Diese Ergebnisse werden bei Vorrichtungen nach der
Erfindung auf einfachem Wege mittels einer eng gedrängten Anordnung, die auch wenig kostspielig
herzustellen ist, erzielbar. Da der Ausgangsstrahl vom gleichen Punkt ausgeht, in den der Eingangsstrahl
einfällt, kann man den Ablenkspiegel sehr klein ausgestalten und mit geringer träger Masse. Auf diese
Weise werden alle Verschiebungen und Fehlerquellen vermieden, die durch die Größe des Spiegels bedinp*
sind und die Übertragungsfunktion wird weitgehend linear. Der Multiplikationsfaktor der Ablenkvorrichtung
nach der F i g. 1 und F i g. 2 ist sehr leicht einstellbar, indem man den Spiegel M\ um die Achse A3 dreht,
wodurch der die Verstärkung bestimmende Winkel zwischen der Normalen N\ und der optischen Achse A1
verstellt wird. Wenn zum Beispiel die Abtasthöhe auf einem Dokument 50 mil beträgt (ein mil=25 μ), kann
man mit einem vorgesehenen Handrad die Ablenkvorrichtung verstellen, so daß man maschinengeschriebene
Eütetypen von 100 miL maschinengeschriebene Picatypen von 150 mil und handgeschriebene Zeichen von
250 mil lesen kana wobei jeweils an dem Handrad die entsprechende Verstärkung durch Verdrehen des
Spiegels Mx um die Achse A3 eingestellt werden kann.
Weitere Justierungen sind nicht erforderlich.
Claims (4)
1. Vorrichtung zum Verstärken der Abhängigkeit der Winkeländerungen eines optischen Ausfalls-Strahls
von Winkeländerungen des zugehörigen Einfallsstrahls, bei der der Einfallsstrahl auf einen
Einfallsspiegel trifft und von diesem gegebenenfalls mehrfach mit einem gegenüberstehenden zweiten
Spiegel hin- und hergespiegelt wird und zwischen diesen beiden Spiegeln eine Linsenoptik angeordnet
ist, deren beide äußere Brennpunkte in den Spiegelflächen dieser beiden Spiegel liegen, dadurch
gekennzeichnet, daß der Einfallsspiegel (Mi) zugleich der Ausfallsspiegel ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Reflexionsspiegel (Mi, M2)
schwenkbar gelagert sind, um durch die jeweils zugehörigen Brennpunkte (Pi, P2) verlaufende, nicht
parallele Schwenkachsen (A2, A4).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Spiegel
(Mi, M2) um zwei gekreuzte Achsen ^A2, Az
beziehungsweise A4, Aa-) schwenkbar gelagert ist
4. Abänderung der Vorrichung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet daß an Stelle des nichteinfallsseitig gelegenen Reflexionsspiegels (M2) und der
zugehörigen Sammellinse (L2) ein Prisma mit der entsprechenden optischen Wirkung wie die ersetzte
Spiegellinsenkombination (M2, L2) vorgesehen ist
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