DE2264173C3 - Optisch mechanisches Abtastsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisch mechanisches Abtastsystem mit einer rotierenden Scheibe, die an ihrem Umfang aufeinanderfolgend mit Beugungsgittern bzw. Hologrammen besetzt ist, die nacheinander in den im wesentlichen axial gerichteten Strahl eines Lasers gelangen, wobei sich an den aufeinanderfolgenden Beugungsgittern bzw. Hologrammen während der Rotation der Scheibe jeweils eine derart ändernde Strahlablenkung ergibt, daß aufeinanderfolgend mehrere nebeneinanderliegende Abtastzeilen durchlaufen

werden.

Ein Abtastsystem dieser Art ist bekannt. Bei der bekannten Konstruktion sind am Umfang der rotierenden Scheibe aufeinanderfolgend Beugungsgitter bzw. Hologramme angeordnet. Diese werden bei Rotation der Scheibe kurzzeitig voll, zeitweise aber auch nur ausschnittsweise und gleichzeitig mit einem Nachbarbeugungsgitter ausgeleuchtet Das bringt unerwünschte Helligkeitsschwankungen und Überlagerungen rrit sich.

ίο Darunter leidet die Bildqualität.

Aufgabe der Erfindung ist es, für die bekannte Konstruktion eine derartige Abwandlung des Aufbaus und der Ausleuchtung vorzuschlagen, daß trotz Beibehaltung einer kompletten Abtastung sämtlicher

Abtastzeilen Überlagerungen ausgeschlossen sind.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß nur eine schmale radial erstreckte Zone des jeweils im Strahlengang befindlichen Beugungsgitters beleuchtet ist und daß die Gitterkonstante innerhalb jedes Beugungsgitters in radialer Richtung konstant ist und sich in Umfangsrichtung als lineare Funktion des Drehwinkels der Scheibe fortschreitend ändert.

Durch eine solche Ausbildung und Ausleuchtung wird folgendes erreicht: Das Ausleuchten nur einer schmalen radial erstreckten Zone jedes Beugungsgitters führt dazu, daß eine gleichzeitige Ausleuchtung verschiedener, in Umfangsrichtung benachbarter Beugungsgitter unterbleibt. Es wird also jeweils nur eine bestimmte Stelle eines bestimmten Beugungsgitters ausgeleuchtet.

Das bringt aber Schwierigkeiten deshalb mit sich, weil der Lichtstrahl dabei über die Abtastzeilen geführt werden muß. Diese Schwierigkeit wird nun dadurch beseitigt, daß innerhalb jedes Beugungsgitters die Gitterkonstante in Umfangsrichtung eine lineare Funktion des Drehwinkels der Scheibe ist. Bei Drehung der Scheibe wird somit die schmale radiale Zone, die jeweils ausgeleuchtet wird, eine sich ständig ändernde Gitterkonstante haben. Dadurch ändern sich die Beugungsvei hältnisse derart, daO eine Abtastung in Abtastzeilen erfolgt. Dabei ist für eindeutige Verhältnisse dadurch gesorgt, daß in radialer Richtung die Gitterkonstante keinen Veränderungen ausgesetzt ist. Ein derartiges Gitter wird in der Praxis am einfachsten als Strichgitter realisiert.

Gemäß einer Ausgestaltung des Abtastsystems ist im Strahlengang des vom Laser ausgehenden kohärenten Lichtstrahls eine die Lichtquelle auf einen Radius der Scheibe abbildende zylindrische Linse angeordnet. Auf diese Weise wird besonders einfach eine Ausleuchtung erreicht, die sich auf eine schmale radiale Zone beschränkt.

Beugungsgitter bzw. Hologramme auf der Scheibe sind zweckmäßig in Umfangsrichtung in aneinander anschließenden gleichen Sektoren angeordnet. Bei einer Anordnung der Hologramme in Kreisform bleiben selbst bei dichter Anordnung der Kreise nebeneinander, erhebliche Teile des Umfangsbereiches der Scheibe für die Ablenkung unausgenützt. Wegen des Auflösungsvermögens ist sogar ein gewisser Abstand der Kreise bisher notwendig gewesen. Damit sinkt der Wirkungsgrad weiter. Wegen der Ausleuchtung in einer schmalen radialen Zone ist nunmehr beim Anmeldungsgegenstand die Möglichkeit gegeben, den gesamten Umfangsbereich für die Ausleuchtung auszunützen und dabei die kreissektorförmigen Beugungsgitter in einem Ring am Umfang der Scheibe jeweils unmittelbar aneinander anschließen zu lassen.

Eine gewisse Schwierigkeit besteht noch darin, eine

Scheibe herzustellen, die den oben erläuterten Vorschriften genügt Ablenkungsscheiben für die oben erläuterten Abtastsysteme werden zweckmäßig mit der Technik zum Herstellen von Hologrammen erzeugt. Dabei wird zunächst die Scheibe mit einer strahlungsempfindlichen Schicht abgedeckt und anschließend durch zwei von einer Quelle kohärenter Strahlung ausgehende, aufgrund unterschiedlicher Weglängen interferierender Strahlen belichtet. Bei der Herstellung einer Ablenkungsscheibe für das oben erläuterte 'o Abtastsystem wird diese Herstellungstechnik nun so ausgestaltet, daß die Scheibe während der Belichtung der strahlungsempfindlichen Schicht gedreht und der Einfallswinkel des einen der beiden interferrierenden Strahlen relativ zum anderen innerhalb aufeinanderfolgender, je einem bei der Belichtung erzeugten Beugungsgitter entsprechenden Perioden zur Veränderung des Interferenzmusters und damit der Gitterkonstante mit dem Drehwinkel der Scheibe verändert wird. Das geschieht beispielsweise dadurch, daß ein in den einen Strahlengang geschalteter oszillierender Spiegel mit konstanter Winkelgeschwindigkeit verdreht und der als Drehantrieb der Scheibe dienende Motor synchron hierzu angetrieben wird. Auf diese Weise ist es ohne besonderen Aufwand möglich, eine Ablenkungsscheibe *5 herzustellen, die an ihrem Umfang in aufeinanderfolgenden Sektoren eines Ringbereiches Beugungsgitter aufweist, deren Gitterkonstante sich in Umfangsrichtung ändert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Ablenkungsscheibe nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung der sich bei einer Ablenkungsscheibe nach F1 g. 1 ergebenden Abtastverhältnisse,

F i g. 4 und 5 zwei Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Ablenkungsscheibe, und

F i g. 6 schematisch eine Darstellung der sich bei einer mit den Vorrichtungen nach den F i g. 4 und 5 hergestellten Ablenkungsscheibe ergebenden Abtastverhältnisse.

Fig. 1 zeigt eine Ablenkungsscheibe 31 mit an ihrem Umfang verteilt angeordneten kreisförmigen Beugungsgittern 32. Die Ablenkungsscheihe wird bei ihrer Verwendung in einem optisch mechanischen Abtastsystem um eine Achse gedreht, die im Mittelpunkt der kreisförmigen Scheibe senkrecht zur Ebene der F i g. 1 steht. Gleichzeitig wird ein Umfangspunkt der Scheibe mit einem gebündelten Lichtstrahl kohärenten Lichtes ausgeleuchtet.

Fig.2 zeigt die Intensitätsverhältnisse, die sich bei der aufeinanderfolgenden Ausleuchtung der Beugungsgitter 32 mit dem Lichtfleck 33 ergeben, der vom Lichtstrahl auf der Ablenkungsscheibe 31 erzeugt wird. Man erhält Intensitätsmaxima dann, wenn Beugungsgitter 32 und Lichtfleck 33 konzentrisch liegen, wie in Fig.2 links außen angedeutet. Fällt jedoch der Lichtfleck 33 auf die Lücke zwischen benachbarten Beugungsgittern 33, so wird die Intensität verringert. Überdies kommt es dann zu einer gleichzeitigen Ausleuchtung zweier benachbarter Beugungsgitter und damit zur Erzeugung von zwei Abtastpunkten. Das trägt zur erheblichen Verschlechterung der Bildqualität bei.

Fig.3 zeigt die Verhältnisse, die sich dann ergeben, wenn man die Beugungsgitter 32 so weit voneinander abrückt, daß der Abstand benachbarter Beugungsgitter größer ist als der Durchmesser eines Lichtfleeks 33. Bei einer solchen Anordnung ist es selbstverständlich unmöglich, daß ein Lichtfleck zwei benachbarte Beugungsgitter gleichzeitig ausleuchtet und man auf diese Weise zwei Abtastpunkte erhält. Nachteilig ist aber immer noch, daß man eine schwankende Intensität erhält, die durch das Vorliegen von Teilüberdeckungen der Beugungsgitter 32 mit dem Lichtfleck 33 bedingt ist. Außerdem erhält man kein kontinuierliches Ausgangssignal, sondern erhebliche Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen. Ebenso wie bei Fig.2 ist es also auch bei Fig.3 unmöglich, ein konstantes Auflösungsvermögen und eine gut gleichbleibende Bildqualität bei der Abtastung zu erzielen.

Anhand der Fig.4 und 5 wird im folgenden die ! icrstellung einer Ablenkungsscheibe beschrieben werden, bei der diese Nachteile beseitigt sind. Zunächst soll aber anhand von F i g. 6 die Ablenkungsscheibe bzw. das mit ihr arbeitende Abtastsystem erläutert werden.

F i g. 6 zeigt eine Ablenkungsscheibe 61, die an einem Kreisringbereich ihres Umfanges Ίλι Kreissektoren unmittelbar aufeinanderfolgende Beugungsgitter aufweist. Die Beugungsgitter bestehen aus einem reinen Strichmuster. Es wird nun ein Lichtstrahl 62 kohärenten parallelen Lichtes von einem Laser auf eine zylindrische Linse 63 gerichtet. Der Lichtstrahl wird von dieser Linse auf den Radius χ abgebildet, der in der Ebene der Ablenkungsscheibe 61 liegt und durch deren Mittelpunkt O hindurchgeht. Eine auf der Ebene der Ablenkungsscheibe 61 stehende Normale Z fällt dabei mit der Richtung des Lichtstrahles 62 zusammen. Insoweit hat man sich die Darstellung von F i g. 6 räumlich vorzustellen. Der von der zylindrischen Linse 63 auf den Radius Af der Ablenkungsscheibe 61 abgebildete Lichtstrahl 62 erfährt nun am Beugungsgitterabschnitt des sich jeweils unter dem Radius χ befindenden Beugungsgitters, eine Ablenkung mit einem Ablenkungswinkel φ, der dem Winkel zwischen den interferierenden Lichtstrahlen entspricnt, dit bei der holografischen Herstellung des Beugungsgitters gernäß F i g. 4 vorliegen.

R&iiert nun die Ablenkungsscheibe 61 um ihre Achse, die auf dem Scheibenmittelpunkt O senkrecht steht, so fällt mit dem Radius χ der Ablenkungsscheibe ständig ein neuer Abschnitt des Beugungsgitter zusammen. Dabei ändert sich aber auch ständig die im Bereich der Abbildung des Lichtstrahles 62 auf den Radius χ zur Ablenkung wirksame Gitterkonstante, so daß auch der Ablenkungswinkel ςρ eine entsprechende Änderung erfährt und zwar in einem Schwankungsbereich Δφ, der von der Rotation des Spiegels 44 und der entsprechenden Veränderung des Signallichtstrahls 48 bei der Vorrichtung nach F i g. 4 herrührt.

Bei 'Jet Ausführungsform nach Fig.6 kann der für jedes Beugungsgitter einen Schwankungsbereich Δφ überstreichende abgelenkte Lichtstrahl wieder in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt werden, indem man eine weitere zylindrische Linse 64 in seinen Strahlengang bringt. Dadurch wird die gewünschte Abtastung erzielt. Hierfür wird die Kreisringfläche der Ablenkungsscheibe 61 beispielsweise in fünfzig gleiche Sektoren unterteilt, von denen jeder Sektor AOB das Beugungsmuster für einen Abtastzyklus enthält, innerhalb dessen sich die Gitterkonstante kontinuierlich ändert. Die Ablenkungsscheibe 61 rotiert beispielsweise mit 18 000 U/min. Beträgt der Durchmesser D der Ablenkungsscheibe 61 100 mm, so erhält man für die Bogenlänge AB eines jeden Sektors 6 mm. Bei einer

Auflösung von 500 Linien muß dann die halbe Breite der beleuchteten radialen Zone längs des Radius χ 6/500 mm = 12 Mikrometer betragen, was der Auflösung der zylindrischen Linse 63 entspricht. Soll mit Hilfe des Abtastsystems bei jedem vollen Umlauf der s AblenUungsscheibe ein volles Fernsehbild abgetastet werden, so muß der kreisringförmige Umfangsabschnitt der Ablenkungsscheibe 61 beispielsweise in 275 gleiche Sektoren unterteilt werden, von denen jeder für die Lichtpunktabtastung einer Horizontalzeile des Fernsehbildes dient. Die Ablenkungsscheibe dient dabei dazu, den Lichtpunkt jeweils über die Zeile zu führen. Für die Verlagerung der Abtastung von einer Fernsehzeile zur nächsten beim Überfahren der Sektortrennlinicn A, I) ... wird eine beliebige zusätzliche Einrichtung hcrangezogen, beispielsweise ein niederfrequent oszillierender Spiegel.

F.ine Möglichkeit zur Herstellung einer Ablenkungsscheibe 61 zeigt Fig. 4. F.in Schiit? 41 wird mittels Linsen 42 und 43 auf einen oszillierenden Spiegel 44 abgebildet. Das vom Spiegel reflektierte Licht wird mittels weiterer Linsen 45 und 46 auf einer Bildfläche 47 abgebildet, die eine strahlungsempfindliche Schicht trägt. Der Signalstrahl 48 interferiert auf der Bildfläche mit einem Bezugsstrahl 49, wobei die Schlitze S\ und S2 von ein und derselben Lichtquelle kohärenten Lichtes ausgeleuchtet werden. Überdies läßt man d'e Bildfläche 47 mit Hilfe eines Motors 50 umlaufen. Der Antrieb des Motors 50 ist mit demjenigen des Spiegels 44 synchronisiert, der den Spiegel 44 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit langsam verdreht. Das durch die interferierenden Lichtstrahlen auf der Bildfläche erzeugte Streifenmuster dient später als Beugungsgitter der Ablenkungsscheibe und hat aufgrund der Art seiner Herstellung eine sich innerhalb eines Beugungsgitters stetig ändernde Gitterkonstante.

Fine abgewandelte Ausfiihrungsform zur Herstellung der Ablenkungsschcibc 61 ist in F i g. 5 gezeigt. Das Bile eines ausgeleuchteten Schlitzes 51 wird über Linsen 51 und 53 auf einen oszillierenden Spiegel 54 gebracht Linsen 55 und 59 dienen der Abbildung auf eine Bildfläche 60. Im Strahlengang zwischen den Linsen 5! und 59 liegt weiter ein Prisma 56, mit dem die Abbildung eines Schlitzes 57 über eine Linse 58 und weite ebenfalls über die Linse 59 auf die Bildfläche 60 gelangt auf der wiederum das Interferenzmuster entsteht, wenr die Schlitze .Si und Si ausgehend von einer Quellt kohärenter Strahlung ausgeleuchtet werden.

Mit dem System nach F i g. 4 kann für eint Ablenkungsscheibe 61 eine Auflösung von beispielswei se 500 Linien erreicht werden, wenn folgende Wcrti eingehalten werden: r = 36O°/5O = 7,2", Schlitzbrcit« 1—5 mm, maximale Streifenkonstante d_mA, — 3.7 Mi krometer, minimale Streifenkonstante d_m,„ = 3 Mikro meter, Wellenlänge des Laserlichtes λ = 632,8 Nano meter. Bei der Aufzeichnung des Beugungsgiters ist eit Auflösungsvermögen von ungefährt 10 Mikromerte erforderlich.

Die Ablenkungsscheibe 61 mit den Beugungsgittert der oben beschriebenen Beschaffenheit kann in de Massenproduktion billig hergestellt werden. Falls da Beugungsgitter ein Strich- oder Amplitudengitter ist genügt fü·- die Massenproduktion ein Kontaktdruckver fahren. Falls es sich beim holografischen Beugungsgitte um ein Phasengitter handelt, eignen sich Herstellungs verfahren, wie sie bei der Schallplattenherstellunj Verwendung finden. Dabei wird die nach F i g. 4 oder i hergestellte Original-Ablenkungsscheibe 61 als Preß form verwendet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optisch mechanisches Abtastsystem mit einer rotierenden Scheibe, die an ihrem Umfang aufeinanderfolgend mit Beugungsgittern bzw. Hologrammen besetzt ist, die nacheinander in den im wesentlichen axial gerichteten Strahl eines Lasers gelangen, wobei sich an den aufeinanderfolgenden Beugungsgittern bzw. Hologrammen während der Rotation der Scheibe jeweils eine derart ändernde Strahlablenkung ergibt, daß aufeinanderfolgend mehrere nebeneinanderliegende Abtastzeilen durchlaufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine schmale radial erstreckte Zone (X) des jeweils im Strahlengang befindlichen Beugungsgitiers (AOB) beleuchtet ist, und daß die Gitterkonstante innerhalb jedes Beugungsgitters in radialer Richtung konstant ist und sich in Umfangsrichtung als lineare Funktion des Drehwinkels (τ) der Scheibe (61) fortschreitend ändert

2. Abtastsystem nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des vom Laser ausgehenden kohärenten Lichtstrahls (62) eine die Lichtquelle auf einen Radius (X) der Scheibe (61) abbildende zylindrische Linse (63) angeordnet ist.

3. Abtastsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter bzw. Hologramme auf der Scheibe (61) in in Umfangsrichtung aneinander anschließenden gleichen Sektoren (AOB) angeordnet sind.

4. Verfahrer: zum Herstellen einer Ablenkungsscheibe für das Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zunächst die Scheibe mit einer strahlungsempfindlich^ S'hicht abgedeckt und anschließend durch zwei von einer Quelle kohärenter Strahlung ausgehende interferierende Strahlen belichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe während der Belichtung der strahlungsempfindlichen Schicht gedreht und der Einfallswinkel des einen der beiden interferierenden Strahlen relativ zum anderen innerhalb aufeinanderfolgender, je der Erzeugung eines Beugungsgitters entsprechender Perioden zur Veränderung des Interferenzmusters und damit der Gitterkonstante mit dem Drehwinkel der Scheibe verändert wird.

5. Verfahren zum Herstellen einer Ablenkungsscheibe für das Abtastsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang des einen der beiden interferierenden Strahlen ein oszillierender Spiegel geschaltet ist, der mit konstanter Winkelgeschwindigkeit synchron mit dem als Drehantrieb der Scheibe dienenden Motor angetrieben ist.