DE2042508C3 - Vorrichtung zum Verstärken der Abhängigkeit der Winkeländerung eines optischen Ausfallstrahls von Winkeländerungen des zugehörigen Einfallstrahls - Google Patents

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 lit_oen.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird der Strahl an einem ersten Spiepel, dem Einfallsspiegel, in die Vorrichtung eingespiegelt und v-läßt 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 tolche 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 geändprt, es wird nur die Winkelabhängigkeit verstärkt. Man kann also eine Vorrichtung nach der Erfindung vorteilhaft als einfaches Zusatzgerät zu einer 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 defl 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 gestaltet! auf sehr einfache Weise den Verstärkungsgrad zu Verstellen. Diese Weiterbildung ist Gegenstand des Anspruchs 2.

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, ^:ndem man die beteiligten Reflexiorisflächen 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. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. la das erste Ausführungsbeispiel abgeändert, indem der eine Reflexionsspiegel und die zugehörige Sammellinse durch ein Prisma ersetzt ist,

F i g. 2 ein zweites Ausführupgsbeiv'el und

F i g. 3 bis 5 Diagramme zum Strahlenverlauf, anhand derer die Wirkungsweise der Ausführungsbeispiele und der erwähnten Abänderung erläutert werden.

Die Ablenkvorrichtung nach Fig. 1 weist einen Spiegel Mt. der im Abstand der Brennweite /i von einer Linse L, angeordnet ist. auf. Außerdem ist eine zweite Linse Li vorgesehen, die an der anderen Seite der Linse Li im Abstand der Summe der beiden Brennweiten /Ί + fj der beiden Linsen Li und L₂ zu der erst genannten Linse angeordnet ist. Auf der anderen Seite der zweiten Linse Li ist ein zweiter Spiegel Mi im Abstand der Brennweite Λ der /weiten Linse L> angeordnet. Die Spiegel und Linsen sind mit einer gemeinsamen optischen Achse Au die sich in Z-Richtung erstreckt, angeordnet. Bei dem Spiegel M< 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, aKo in V'-Richtung des oben in Fig. I eingezeichneten Koordinatensystems. Die Vorrichtung nach F i g. I ist. um die Beschreibung zu erleichtern, zweidimensional. In der Brennebene der Linse L₂* in der sich der Spiegel M₂ in der A^Ebene befindet, wird der Ablenkspiegel M\ abgebildet. Der Spiegel M₂ reflektiert und bildet ein zweites aufrechtes Bild auf dem Spiegel Mi ab. Da der Spiegel M₂ in der ÄT'Ebene angeordnet ist, erstreckt sich seine Flächennöfmäle /V₂ parallel zur optischen Achse Au Ein

kolinearisierter Laserstrahl, also ein Laserparallelstrahl, fällt im Punkt P\ auf den Ablenkspiegel und wird auf die Linse L₁ reflektiert und durchläuft von da das optische System zwischen den Punkten P\ und P₇ mehrmals. Bei jeder Reflektion am Ablenkspiegel Mi im Punkt Pi wächst der Ablenkwinkel. Im Zuge dessen wird der Ablenkwinkel schließlich *n 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 Erfindung dargestellt ist, bei der der Ablenkspiegel gegenüber dem aus F i g. 1 um 90 Grad um die optische Achse Ai gedreht ist und um eine Verstärkungsachse A-, gekippt ist In Fig. 1 ist die Zeicheneb-ne die XZ- Ebene, dagegen in F i g. 2 die YZ- Ebene, in der auch der Brennpunkt P, liegt Der Ablenkspiegel M, ist so gestellt, daß die Projektion seiner Normalen /V₁ auf die YZ- Ebene einen Winkel Φ mit der optischen Achse Λ ι einschließt. Die Folge ist, daß der einfallende Laserparallelstrahl 1 sich dreht, bis er als Ausfallsstrahl 2 wieder ausfällt. Durch entsprechende Wahl der Größe des Winkels Φ kann man die Anzahl der Durchläufe des Lichtstrahls bestimmen. Den Spiegel stellt man auf den bestimmten Winkel Φ ein, indem man ihn um die Verstärkungsachse Ai dreht, die aus der Zeichenebene heraus ragt und den Punkt P\ durchsetzt. Die Achse Ai liegt vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise in der XZ- Ebene. Die Achse A₂ bleibt vorzugsweise in der YZ-Ebene, wenn der Ablenkspiegel M\ um die Achse A2 gedreht wird, was, da jedoch die Achsen A2 und Ay nicht lotrecht zueinander stehen, erfordert, daß sich die Achse Ai'm X- Richtung senkrecht zur Zeichenebene erstreckt.

Der Betriebsweise liegt eine Theorie zugrunde, die nun anhand der Fig. 3 erläutert wird, in der stark vergrößert im Querschnitt der Ablenkspiegel M und die erste Linse L\ dargestellt sind. Wie bei F i g. 2 erfolgt die Ablenkung des Spiegels Mi um die Achse A2. die in der Zeichenebene liegt. Die Linse L₂ und dtr Spiegel M₂ 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 opiischen Achse Ai liegt. Um die Beschreibung zu erleichtern, wird nun davon ausgegangen, daß man den LaserparalleiStrahl als einen einzigen Strahl betrachten kann und daß die Linsen in allen Bezirken optisch ideal sind.

Nach F 1 g. 3 werden die Winkellagen bezogen auf die optische Achse des einfallenden und des reflektierenden Strahls der η-ten Reflektion am Ablenkspiegel M\ mit Φ und 'P, bezeichnet. Der halbe Öffnungswinkel der Linse L· ist mit ■* bezeichnet und mit Φ ist wieder die 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 Li und dem Spiegel Mi ab. Es ergibt sich mithin

,,., = 20- 0,
,_n = 20- (-), = 40 -«1

(Gleichung 1)

_}(ι

Die ganze Zahl G gibt die gesamte Zahl der Reflektionen des Strahls am Spiegel Mi an. Der Abtastwinkel des Ablenksystems wird mithin durch den Faktor G vergrößert, der als Vergrößerungsfaktor des Systems definiert werden kann.

Ein interessantes Ergebnis erzielt man, wenn man die Gleichung 1 umschreibt, indem nun 0_cdem Einfallswinkel für eine Verstärkung von G entspricht

'"'* \ ^H<l = G0 . (Gleichung 2)

Dies bedeutet, daß G Φ dem Durchschnittswert von !Pc und 0c entspricht. Man kann also eine Linie unter dem Winkel von G Φ als die effektive Normale des Spiegels Mi 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 Berechs der Eingangs- und Ausgangswinkel, die von dem Öffnungswinkel der Linse Li abhängig ist. Dies wird anhand der F i g. 4 erläutert, wo unter dem Winkel 0 (min) der Einfallsstrahl gerade den Rand der Linse passiert. Unter dem anderen Extremwinkel, nämlich 0 (max) trifft bereits der erste am Spiegel Mi reflektierte Strahl auf den unteren Rand der Linse. Da für den Ausfallswinkel die gleichen Grenzwerte gelten, bestehen die Beziehungen

.CH<i + 2 Φ

(Gleichung 3*

Daraus ergeben sich zwei Bedingungen: Die erste Bedingung besagt, diß der Maximalwinkel zvischen θ<; und ¹Pc; gleich 2Φ ist. Setzt man den Maximalwert von 0(, und den Minimalwert von ¹Pa in die Gleichung 2 ein, dann ergibt sich:

\ + (ι -ι- 2 0)

= G0, (Gleichung 4)

Λ = (G -1)0.

Wenn α ein ganzzahliges Vielfaches von Φ ist, dann ergibt sich eine einzige effektive Normale in der Mitte des Eingangs-/Ausgangsbereichs.

Das zweite aus Gleichung 3 abzuleitende Ergebnis ergibt sich, wenn der halbe Öffnungswinkel kein ganzzahliges Vielfaches von Φ ist, also

(Gleichung 5)

Daraus folgt, daß wenn Φ abnimmt, \ innerhalb des Bereichs

(G - I)'/' < λ < GΦ (Gleichung 6)

liegt. An der oberen Grenze ac-GΦ wiederholt sich die Situation nach Gleichung 4, aber mit einer um eine Einheit vergrößerten Verstärkung. In entsprechender Weise kann Φ anwachsen bis a = (G-2)<P nach Gleichung 4 in einer um eine Einheit verringerten Verstärkung resultiert. In jedem Fall liegen für einen bestimmten Wert von Φ maximal zwei effektive

faktor wird jedoch um eine Einheit verfingert, da eine Reflektion weniger am Spiegel M₂ als am Spiegel M\ stattfindet.

Bei einer anderen Abänderung sind die beiden Spiegel M\ und Mi schwenkbar um die Brennpunkte der zugeordneten Linsen. Wenn man die Schwenkungen in richtiger Phasenbeziehung vornimmt und beide Rotationsachsen A₂ und A\ in der XZ-Ebene liegen, dann ergibt sich eine Ablenkung von insgesamt (2G—1), wobei G der Verstärkungsfaktor ist, der sich bei Verwendung des Spiegels Mi allein ergeben würde. Wenn andererseits die Achsen A; und A'*, um die die Spiegel M\ und Mt 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 M<

!Normalen im c.ingangs-//\usga[igsuereii;ii geiTiau vncichung 3 vor. Nach Gleichung 6 liegt eine effektive in Normale unter G Φ und eine zweite unter (G+\yP entsprechend den Verstärkungen C und G+\ vor. Ein Teil des Eingangs-Musgangsbereichs ist jeweils den Gleichungen 2 und 3 zugeordnet.

Man hat also maximal zwei Verstärkungswerte für _·ι 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 r, Vorrichtung anwendet, erkennt man die Grenzen. Fig. 5 zeigt die Eingangsseite 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 ao durch die Linsenmontage. Da die Eingangs- und AiicCTanucwinUpl 711 pinpr pffpktiven Normalen svmme·

* O O

trisch sind, muß man von den Eingangs/Ausgangswinkeln noch einen zusätzlichen Winkelbetrag Δα abziehen.

Der unbrauchbare EingangsVAusgangswinkelbereich für eine praktische Vorrichtung beträgt also 2(Φ — Δα). Der Höchstwert der Verstärkung G ist begrenzt durch die Bedingung Φ > Δα.

Ein Optimum ergibt sich für eine Ablenkvorrichtung, wenn α maximal und Δ<χ minimal ist Das ist der Fall für Linsen mit eJ.ier kurzen Brennweite und einem Linsendurchmesser der groß ist im Vergleich zum Durchmesser des einfallenden Laserstrahls. Der Strahldurchmesser wird durch die Blendenöffnung des Spiegels M_x bestimmt Da man außerdem eine Vielzahl von Hin- und Herspiegelungen 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 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 Fall ist der Spiegel M\ der EingangsVAusgangsspiegel, der mit dem Wert für Φ hi den Verstärkungfaktor G bestimmt Der Verstärkungsucf /-luicfiriSpicgci iSi Uhu ucf SpiügEi tr'i fcSi ätcm. Clic Hauptfunktion der Linse L₂ und des Spiegels Mi darin besteht, den Spiegel M₁ 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 Hype'.henusenfläche 11 senkrecht zur optischen Achse A\ der Linse L₁ 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 L\ 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 bedingt sind und die Übertragungsfunktion wird weügehend linear. Der Multiplikationsfaktor der Ablenkvorrichtung nach der F i g. 1 und F i g. 2 ist sehr leicht einstellbar, indem man den Spiegel Mi um die Achse A3 dreht, wodurch der die Verstärkung bestimmende Winkel zwischen der Normalen N\ und der optischen Achse A\ 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 Elitetypen von 100 mil, maschinengeschriebene Picatypen von 150 mil und handgeschriebene Zeichen von 250 mil lesen kann, wobei jeweils an dem Handrad die entsprechende Verstärkung durch Verdrehen des Spiegels Mt um die Achse A3 eingestellt werden kann. Weitere Justierungen sind nicht erforderlich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Verstärken der Abhängigkeit der Winkeländerungen eines optischen Ausfalls- ί 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 in 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 (Pj, Pj) verlaufende, nicht parallele Schwenkachsen (Ä2, A4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Spiegel (Mi, Ma) um zwei gekreuzte Achsen (A2, Ai beziehungsweise Aa, A4-) 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 (M>, L₂) vorgesehen ist