DE2330612B2

DE2330612B2 - Optisch-mechanische Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2330612B2
Application number: DE2330612A
Authority: DE
Inventors: Johann 8025 Unterhaching Ploeckl
Original assignee: Zellweger Uster AG
Current assignee: Zellweger Uster AG
Priority date: 1972-08-10
Filing date: 1973-06-15
Publication date: 1978-05-24
Also published as: DE2330612C3; DE2330612A1; SE7605698L; SE405178B; SE7310923L; JPS4960236A; GB1437346A; FR2195801A1; CH558572A; IT991392B; FR2195801B1; US3870394A

Description

Die Erfindung betrifft eine optisch-mechanische Abtastvorrichtung mit einem Strahlablenker und einem nachfolgenden Hohlspiegel zur Strahlfokussierung im Abtastbereich, sowie mit einem Korrekturglied.

Eine solche Abtastvorrichtung ist beispielsweise aus der US-PS 34 69 030 bekannt. Hier dient als Strahlablenker ein um eine feststehende Achse rotierendes Spiegelpolygon, das das von einer geeignten Quelle kommende Lichtbündel periodisch über einen Hohlspiegel streichen läßt, der es in seiner den Abtastbereich bildenden Brennfläche fokussiert. In dieser gewölbten Brennfläche befindet sich der abzutastende Informationsträger, der somit von einem sehr kleinen, scharfen und unverzerrten Lichtfleck zeilenweise abgetastet werden kann. Für die Fälle, iv denen es nicht möglich ist, den Informationsträger an die gewölbte Brennfläche des Hohlspiegels anzuschmiegen, ist ein optisches Korrekturglied unmittelbar vor dem Informationsträger im Strahlengang angeordnet, das die gewölbte Brennfläche ebnet.

Ein anderes, sehr häufiges Anwendungsbeispiel für solche optisch-mechanische Abtastvorrichtungen ist die Erfassung des kodierten Informationsgehaltes von Zeichen, die auf Waren angebracht sind und diese Waren betreffende Aussagen, wie z. B. den Preis, den Hersteller, die Bestell- oder Lagernimmer usw. beinhalten. In diesen Fällen durchläuft der vom Strahlablenker periodisch bewegte Abtaststrahl nur eine einzige Spur, über die die das Zeichen tragende Ware quer zur Abtastrichtung hinweggeführt wird, so daß die Flächenabtastung durch diese Querbewegung zustande kommt.

Bei solchen optisch-mechanischen Abtastvorrichtungen ergibt sich ein Problem jedoch aus der Tatsache, daß mit einem kommerziell vertretbaren Aufwand hergestellte Strahlablenker, wie z. B. Spiegelpolygone oder Schwingspiegel oder dergleichen nicht fehlerfrei arbeiten. So treten unter Umständen trotz konstanter Drehzahl bzw. Schwingfrequenz nichtparallele Abtastspuren auf oder die Abtastspuren aufeinanderfolgender Abtastungen weisen ungleiche Abstände voneinander oder gar eine falsche Reihenfolge auf. Solche Abweichungen sind vor allem auf den sogenannten Pyramidalfehler des mechanischen Dreh- oder Schwingteils zurückzuführen. Hierunter versteht man die auch bei Anwendung größter Präzision in der Herstellung nicht ganz zu vermeidende Nichtparallelität der spiegelnden Flächen eines Spiegelpolygons zu dessen Rotationsachse bzw. die nicht ganz zu vermeidenden Schwingbewegungen eines mechanischen Schwingteils um eine oder mehrere von der Hauptschwingachse des Systems verschiedene Achsen. Der Pyramidalfehier führt dazu, daß die aufeinanderfolgenden Abtastzeilen nicht genau aufeinanderfallen bzw. nicht genau parallel zueinander verlaufen, so daß der erzeugte Lichtfleck von seiner Soll-Abtastspur abweicht, was zu Fehlern bei der Ablesung des Informationsträgers führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß dieser Pyramidalfehler auf einfache und kostengünstige Art weitgehend behoben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zur Beseitigung von Strahlabweichungen quer zur Ablenkrichtung zwischen dem Hohlspiegel und dem Strahlablenker eine torisch gekrümmte Zylinderlinse als Korrekturglied angeordnet ist, die den von der Oberfläche des Strahlablenker kommenden Strahlenkeil in ein paralleles Strahlbenbündel verwandelt.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß auch bei einer Verkippung der gerade wirksamen, spiegelnden Fläche des Spiegelpolygons gegen dessen Drehachse bzw. beim Schwingen des Schwingspiegels um eine oder mehrere zusätzliche Achsen, der von seiner Sollrichtung zunächst um den doppelten Verkippungswinkel abweichende Abtastlichtstrahl nach dem Durchtritt durch die torisch gekrümmte Zylinderlinse zu seiner Sollrichtung parallel verläuft. Die dabei entstehende Parallelversetzung des Abtastlichtstrahls ist aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der torisch gekrümmten Zylinderlinse zwischen der Strahlablenkvorrichtung und dem konkaven Spiegel noch sehr klein und tritt nicht weiter störend in Erscheinung.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß zufolge des Strahlenversatzes bei schiefem Durchtritt auch Abtastgeschwindigkeitsfehler, wie sie bei großer Strahlablenkung auftreten können, wenigstens teilweise korrigiert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei

Fig. I ein Ausführungsbeispiel eines optischen Systems einer Abtastvorrichtung mit eingezeichneten Strahlengängen in einem Grundriß,

Fig.2 einen Aufriß des in Fig I dargestellten optischen Systems mit eingezeichneten Strahlengängen,

F i g. 3 den Verlauf des Hauptstrahles des Abtastlichtstrahlenbündels unter der Wirkung des Pyramidalfehlers.

In allen Figuren sind sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezeichnungen versehen.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Systems einer Abtastvorrichtung mit eingezeichneten Strahlengängen in einem Grundriß. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind einzelne Strahlengänge unterbrochen gezeichnet. Die F i g. 2 zeigt einen Aufriß der gleichen Anordnung.

Die Abtastvorrichtung 1 weist eine Lichtquelle 2, vorzugsweise eine Laserlichtquelle auf, der<L.i Austritts-Lichtsirahlenbündel als im wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel 3' gegen eine Zylinderlinse 4 gerichtet ist. Die Achse der Zylinderlinse 4 steht senkrecht auf der Zeichenebene. Ein aus der Zylinderlinse 4 austretendes konvergentes, im wesentlichen einen länglich rechteckigen Querschnitt aufweisendes Lichtstrahlenbündel 3" wird an einer Stelle 5 zu einer senkrecht auf der Zeichenebene stehenden dünnen Linie fokussiert und ist als divergentes Lichtstrahlenbündel 3'" gegen eine sphärische Eintrittsfläche 6 eines total reflektierenden Prismas 7 gerichtet. Das Prisma 7 lenkt das einfallende Lichtstrahlenbündel 3'" rechtwinklig ab und richtet ein annähernd paralleles Lichtstrahlenbündel .1"" gegen eine spiegelnde Fläche 9 eines Strahlablenker, der hier als Spiegelpolygtm 10 ausgeführt ist, welches um eine Achse U rotiert. Die sphärische Fläche 6 ist so bemessen, daß das divergierende Lichtstrahlenbündel 3'" in der Darstellungsebene der Fig. I wieder annähernd parallel aber dicker als das Strahlenbündel 3' wird.

Außerdem ist der Abstand des Prismas 7 vom Spiegelpolygon 10 so gewählt, daß das aus dem Prisma 7 austretende Lichtstrahlenbündel 3"" zu einer dünnen Linie auf der spiegelnden Fläche 9 des Spiegelpolygons 10 fokussiert wird.

Das Spiegelpolygon 10 rotiert um seine Achse U, welche senkrecht auf der Zeichenebene der F i g. 1 steht. Auf diese Weise erzeugt das Spiegelpolygon ein mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit des Spiegelpolygons 10 schwenkendes Abtastlichtstrahlenbündel 12. Das schwenkende Abtastlichtstrahlenbündel 12 passiert nun eine zwischen dem Spiegelpolygon 10 und einem konkaven Spiegel 13, vorzugsweise näher beim Spiegelpolygon 10 angeordnete erste torisch gekrümmte Zylinderlinse 14. In einer auf der Zeichenebene der Fig. 1 durch den Hauptstrahl 12' des Lichtstrahlenbündels 12 gehenden, senkrecht auf der Zeichenebene stehenden Schnittebene ist das Lichtstrahlenbündel 12 annähernd parallel. Das Lichtstrahlenbündel 12 trifft auf den Hohlspiegel 13 auf und wird von diesem als konvergentes Abtastlichtstrahlenbündel 15, gegebenenfalls über einen senkrecht zur Hauptsymmetrieebene 16 des optischen Systems 1 angeordneten Umlenkspiegel 17 in einer senkrecht auf der Zeichenebene der F i g. 1 stehenden Abtastebene 18 zu einem scharfen Abtastneck 19 fokussiert.

Der Brennpunkt des Hohlspiegels 13 liegt vorzugsweise wenigstens annähernd auf der Achse 11 des Strahlablenker bzw. des Spiegelpolygons 10. Die

gemäß Vorstehendem für die Bildung des Abtastlichtstrahlenbündels 17 gewählte optische Anordnung ergibt einen sehr kleinen Konvergenzwinkel γ des Abtastlichistrahlenbündels 17. Hierdurch wird erreicht, daß der Querschnitt des Abtastiichtstrahlenbündels 15, welches den Abtastfleck 19 auf einem zu lesenden Zeichen erzeugt, innerhalb eines bestimmten, ausreichend großen Bereich vor und hinter der Abtastebene 18 im Vergleich zur Struktur des abzutastenden Zeichens noch ausreichend klein ist und dabei das abzutastende Zeichen lediglich innerhalb dieses Bereiches und nicht exakt in der Abtastebene 18 liegen muß.

Ein von dem Abtastlichtfleck 19 auf einem abgetasteten Zeichen ausgehendes Empfangsstrahlenbündel 20 gelangt über den Hohlspiegel 13 als annähernd paralleles Strahlenbündel 21 und über eine, beispielsweise oberhalb der ersten torisch gekrümmten Zylinderlinse 14 angeordnete zweite torisch gekrümmte Zylinderlinse 22 (vgl. Fig. 2) zur spiegelnden Fläche 9 des Spiegelpolygons 10 zurück. Das von der zweiten torisch gekrümmten Zylinderlinse 22 gegen die spiegelnde Fläche 9 gerichtete konvergente Lichtstrahlenbündel 23 wird von der zweiten torisch gekrümmten Zylinderlinse 22 auf die spiegelnde Fläche 9 fokussiert.

Vorzugsweise wird dabei die Anordnung des Prismas 7 der beiden torisch gekrümmten Zylinderlinsen 14 und 22 derart gewählt, daß die Reflexionsstellen des Lichtstrahlenbündels 3"", welches schließlich das Abtastlichtstrahlenbündel 15 erzeugt, und des von dem Empfangsstrahlenbündel 20 stammenden konvergenten Lichtstrahlenbündels 23 (vgl. F i g. 2) auf der spiegelnden Fläche 9 örtlich gegeneinander versetzt sind. Hierdurch wird nämlich vermieden, daß durch optische Unvollkommenheiten, wie Kratzer, Staub usw. auf der spiegelnden Fläche 9 von dem an sich viel intensiveren Lichtstrom des Lichtstrahlenbündels 3"" Streulicht in das Empfangsstrahlenbündel übertritt. Ein solcher Streulicht-Übertritt würde nämlich das Signai/Rauschverhältnis bei der schließlich vom Empfangsstrahlenbündel getroffenen photoelektrischen Empfangsvorrichtung ungünstig beeinflussen.

In gleicher Weise ist es vorteilhaft, auf dem Hohlspiegel 13 die Reflexionsstellen der Lichtstrahlenbündel 12 und 20 örtlich gegeneinander zu versetzen, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist.

Das schräg von oben auf die spiegelnde Fläche 9 auftreffende Lichtstrahlenbündel 23 wird als divergentes schräg nach unten verlaufendes Lichtstrahlenbündel 24 reflektiert. Das Lichtstrahlenbündel 24 wird beispielsweise durch eine Zylinderlinse 25 und eine Linse 26, gegen die aktive Fläche einer photoelektrischen Empfangsvorrichtung 27, wie beispielsweise eine Photodiode, gesandt.

Die Abtastebene 18 liegt beispielsweise in einem Abstand d(yg\. F i g. 2) oberhalb einer als Führungsmittel dienenden Abdeckplatte 28. Die Abdeckplatte 28 weist einen Schlitz 29 auf, durch welchen sowohl das Abtastlichtstrahlenbündel 15, als auch das Empfangsstrahlenbündel 20 verläuft. Die beschriebene Anordnung ergibt nun in einem beidseits der Abtastebene 18 liegenden räumlichen Bereich B von der Ducke 2c/einen für die Abtastung ausreichend kleinen Abtiistfleck 19.

Die Fig. 3 zeigt schematisch den Verlauf des Hauptstrahles des Abtastiichtstrahlenbündels (vgl. Fig. 1 und 2) unter der Wirkung des Pyramidalfehlers. Zufolge unvermeidbarer Fertigungstoleranzen weisen die einzelnen Polygonflächen 9 des Spiegelpolygons 10 eine Kippung gegen seine Drehachse 11 um den Winkel

α auf. Dadurch weist ein auf eine solche gekippte da Polygonfläche fallender Hauptstrahl 3* nach seiner Reflexion als Hauptstrahl 12* einen Pyramidalfehler von 2a gegen seine Soll-Lage 12' auf. Dadurch würde ohne weitere Maßnahmen der vom Hohlspiegel 13 ^r> gegen die Abtastfläche 18 gerichtete Abtastlichtstrahl (Hauptslrahl) 15* um den Betrag

± .υ = in' ■ tan 2a

gegenüber der Soll-Lage (15**) dieses Hauptstrahls versetzt sein, wobei in' gleich der Brennweite des Hohlspiegels 13 ist. Die zwischen dem Spiegelpolygon r> 10 und dem Hohlspiegel 13, vorzugsweise näher beim Spiegelpolygon 10 als bei Hohlspiegel 13, angeordnete torisch gekrümmte Zylinderlinse 14 ist nun so ausgebildet und angeordnet, daß die vor ihr um den Winkel 2a gegeneinander geneigten Hauptstrahlen 12' >ü und 12* nach dem Verlassen der torisch gekrümmten Zylinderlinse 14 als parallel zueinander verlaufende Strahlen 12** und 12*** auf den Hohlspiegel 13 fallen. Das heißt, der meridionale Brennpunkt der torisch gekrümmten Zylinderlinse 14 liegt auf der Oberfläche 9 2^r> des Spiegelpolygons 10. Vom Hohlspiegel 13 wird der Abtastlichtstrahl 15*** nun mit dem Winkel β zur Soll-Richtung 15** (gegebenenfalls über den Umlenkspiegel 17) in die Abtastebene 18 im Auftreffpunkt 19 fokussiert. In einer Parallelebene 18' zur idealen jo Abtastebene 18 ergibt sich durch die erwähnte Maßnahme nunmehr ein Zeilenversatz x' mit dem Betrag

.v = ί · tan /ι

γ = / ■ t

wobei (,' die Brennweite der torisch gekrümmten Zylinderlinse 14 ist.

Dadurch ergibt sich nun folgender Vorteil: In der Abtastebene 18 ist der durch den Pyramidalfehler verursachte Zeilenversatz gleich 0, also voll korrigiert. In einer, in Strahlrichtung gemessenen, im Abstand I hinter oder vor der idealen Abtastebene 18 liegenden Parallelebene 18' ergibt sich ein wesentlich kleinerer durch den Pyramidalfehler verursachter Zeilcnversatz als ohne die erwähnten Maßnahmen.

Beispielsweise gilt für r=15mm, /// = 350 mm und // = 70 mm, daß der Zeilenversatz x'rund 70mal kleiner wird als der Zeilenversatz χ wie er sich ohne die torisch gekrümmte Zylinderlinse 14 einstellen würde.

Die Durchbiegung der torisch gekrümmten Zylinderlinse 14 ist wenigstens annähernd so zu wählen, daß der Abbildungsmaßstab, das heißt, das Verhältnis objektseitige Schnittweite zu bildseitiger Schnittweite, konstant ist.

Aus der Formel für x' und β ist ersichtlich, daß es zweckmäßig ist /,' möglichst klein und /// möglichst groß zu wählen. Dies wird aber mit einer Anordnung, bei welcher die Zylinderlinse 14 möglichst nahe beim Spiegelpolygon 10 liegt und mit einer möglichst großen Brennweite /»' des Hohlspiegels 13 gemäß vorliegender Erfindung, in besonders hohem Maße erreicht.

Ein weiterer Vorteil der torisch gekrümmten Zylinderlinse 14 liegt darin, daß zufolge des Strahlversatzes bei schiefem Durchtritt von derselben Abtastge schwindigkeitsfehler, wie sie bei großer Strahlablenkung auftreten können, wenigstens teilweise korrigiert werden.

Das optische System der Strahlablenkvorrichtung kann durch eine beim Schlitz 29 angeordnete planparallele Glasplatte 30 vor Verstaubung geschützt werden.

Hierzu 3 Blatt Zcichnuimen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisch-mechanische Abtastvorrichtung mit einem Strahlablenker und einem nachfolgenden Hohlspiegel zur Strahlfokussierung im Abtastbereich, sowie mit einem Korrekturglied, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung von Strahlabweichungen quer zur Ablenkrichtung zwischen dem Hohlspiegel (13) und dem Strahlablenker (10) eine torisch gekrümmte Zylinderlinse (14) als Korrekturglied angeordnet ist, die den von der Oberfläche (9) des Strahlablenker (10) kommenden Strahlenkeil (12', 12*) in ein paralleles Strahlenbündel (12*M2^#") verwandelt.

2. Optisch-mechanische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der torisch gekrümmten Zylinderlinse (14) von dem Strahlablenker (10) kleiner ist als der Abstand dieser Zylinderlinse (14) vom Hohlspiegel (13).

3. Optisch-mechanische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die torisch gekrümmte Zylinderlinse zwecks Trennung von Sende- und Empfangsstrahl in zwei getrennte Teillinsen (14, 22) aufgespalten ist, von denen die eine (14) das von der Oberfläche des Strahlablenker (10) kommende Abtastlichtbündel (12) auf einen ersten Bereich des Hohlspiegels (13) lenkt und von denen die zweite (22) das von einem zweiten, gegen den ersten Bereich versetzten Bereich des Hohlspiegels (13) kommende Empfangsstrahlenbündel (20) gegen einen Teil der spiegelnden Fläche (9) des Strahlablenker (10) wirft, der vom Sendelichtstrahl (3"") nicht getroffen wird.

4. Optisch-mechanische Abtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite (f,¹) der torisch gekrümmten Zylinderlinse (14) kleiner als die Brennweite (fn')des Hohlspiegels (13) ist.