DE2524152A1

DE2524152A1 - Lichtstrahlablenkspiegelsystem zum abtasten von grossformatigen unterlagen

Info

Publication number: DE2524152A1
Application number: DE19752524152
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Klose
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-05-30
Filing date: 1975-05-30
Publication date: 1976-12-16
Also published as: US4093340A; FR2312795A1; JPS51147331A

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, Hamburg 1, Steindamm 94

Lichtstrahlablenkspiegelsystem zum Abtasten von großformatigen Unterlagen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtstrahlablenkspiegelsystem zum Abtasten von großformatigen Unterlagen.

Will man z.B. großformatige Unterlagen (DIN A4) mit Hilfe eines fokussierten Lichtstrahls abtasten oder lichtempfindliche Unterlagen des gleichen Formats beschreiben, so tritt das Problem auf, daß der Lichtstrahlfokus in der Ebene der Unterlage geführt werden muß. Dies ist aber bei Anwendung der herkömmlichen Lichtstrahlablenkeinheiten mit besonderen Schwierigkeiten verbunden. Befindet sich die im allgemeinen aus Spiegeln bestehende Ablenkeinheit zwischen fokussierendem Objektiv und der Unterlage, so gestatten zwar Galvanometerspiegel und rotierende Polygonspiegel eine Auslenkung des Lichtstrahls über eine Breite von ca. 20 cm, Jedoch beschreibt der Lichtstrahlfokus eine komplizierte Raumkurve, und die Unterlage

PHD 75-085 Sh/Sa -2-

609851/0465

ORIGINAL INSPECTED

muß entsprechend der Fokusbahn gekrümmt werden. Dies ist insbesondere bei Endlosformularen unpraktisch und läßt sich bei starren Unterlagen überhaupt nicht durchführen. Bei bestimmten Ablenkeinheiten besteht darüber hinaus kein linearer Zusammenhang zwischen dem Vorschub des Lichtstrahlfokus und dem Drehwinkel der Ablenkeinheit. Setzt man die Ablenkeinheit vor das fokussierende Objektiv, so bleibt zwar die Brennebene bei Benutzung eines Objektivs hoher Güte in der Ebene der Unterlage, jedoch können bei großen Abtast- bzw. Aufzeichnungsbreiten immer nur Ausschnitte der Unterlage bearbeitet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein von diesen Nachteilen freies Lichtstrahlablenkspiegelsystem zu schaffen, mit dem großformatige Unterlagen z.B. zur Mustererkennung oder Qualitätskontrolle in einfacher Weise abgetastet werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß ein schwenkbarer stark gebündelter Lichtstrahl eine Reihe vbn ortsfesten ebenen Spiegeln überstreicht, deren Mitten auf einer Parabel angeordnet sind und deren Neigung gegenüber der den reflektierten Lichtstrahl aufnehmenden Unterlage identisch mit der Parabelsteigung am Ort der Spiegelmittelpunkte ist.

Das neue Lichtstrahlablenkspiegelsystem ist besonders vorteilhaft bei der Faksimileaufzeichnung oder für einen X-Y-Rekorder verwendbar, da hier große Formate (DIN A3) abgetastet werden können.

—3— δ 0 9 8 5 1 / 0 C* 5

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel dar. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Seitenansicht und

Fig. 2 eine schemätische Draufsicht mit dem Parabel-Koordinatensystem.

Der stark gebündelte Lichtstrahl, vorzugsweise ein Laserstrahl L, wird zunächst durch Fokussierobjsktiv 1 geschickt und fällt dann auf einen rotierenden Spiegel 2, der den Strahl um 90°gegenüber der Einfallsrichtung e reflektiert. Der zu seiner Rotationsachse schräge Rotationsspiegel 2 ist so justiert, daß seine Rotationsachse 3 mit dem einfallenden Laserstrahl L übereinstimmt. Auf diese Weise wird auf dem Rotationsspiegel 2 für den Laserstrahl L ein ortsfester Drehpunkt 4 erzeugt. Der reflektierende Laserstrahl L^! wird von dort aus in einer zur Einfallsrichtung e senkrechten Ebene Se im Kreis geschwenkt und trifft auf eine aus z.B. fünf

ortsfesten Reflexionsspiegeln 5 9 bestehende Spiegelstaffel.

Die Anzahl der Spiegel kann entsprechend dem abzutastenden Format variiert werden. Jeder Reflexionsspiegel ist nach Fig. 1 so ange ordnet, daß der in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene B von ihm reflektierte Laserstrahl L" 1/5 der Unterlagenbreite (B__) ab-

tastet. Die Neigungswinkel der Reflexionsspiegel 5 9

müssen dazu gegenüber der Unterlage B¹ bestimmte Werte aufweisen, die weiter unten angegeben werden. Darüber hinaus sind die Reflexionsspiegel so zu stellen, daß sich die Unterlage B¹ stets innerhalb der Schärfentiefe des Laserstrahlfokus befindet. Der Fokus soll in gleichen Zeiten, dJi. bei gleichen Drehwinkeln des Rotationsspiegels 2 .gleiche geradlinige Strecken zurücklegen.

-4-6 0 9 8 5 1/0465

Das Problem, den Laserstrahlfokus auf der Unterlage B¹ zu führen,

wird dadurch gelöst, daß die Reflexionsspiegelmitten m^ mg

auf einer Parabel angeordnet sind, in deren Brennpunkt sich der Drehpunkt 4 des Roationsspiegels 2 befindet (Fig. 2). Würde der Laserstrahl L¹ von der Parabel reflektiert werden, so wäre zwar die Entfernung Drehpunkt 4-Parabel-Unterlage B^! stets konstant, die Abtastgeschwindigkeit des Fokus auf der Aufzeichnungsebene B würde jedoch stark vom Drehwinkel des Rotationsspiegels 2 abhängen.

Benutzt man dagegen mehrere ebene Reflexionsspiegel 5 9,

deren Neigung ß gleich der Parabelsteigung am Ort des Spiegelmittelpunkts m,- mg ist, so bleibt die Abtastgeschwindigkeit des Fokus auf der Unterlage B^! nahezu konstant, unabhängig von welchem Reflexionsspiegel der Lichtstrahl gerade reflektiert wird. Die geradlinige Bewegung des Fokus ist um so gleichförmiger, je mehr Reflexionsspiegel vorhanden sind, da die zum Durchfahren der Reflexionsspiegel gehörigen Drehwinkel φ

immer kleiner werden. Weiterhin kann man bei richtiger Positionierung der Reflexionsspiegel das Ende einer Abtast- bzw. Aufzeichnungsstrecke f^ auf den Anfang der durch den nächsten Reflexionsspiegel erzeugten Strecke f^ legen, so daß eine kontinuierliche Abtastung bzw. Aufzeichnung über die gesamte Abtast- bzw. Aufzeichnungsbreite B möglich ist. Tastet der Laserstrahl L' bzw. L" während einer Drehung des Rotationsspiegels um φ Grad eine Strecke f^ der Länge e ab, so müssen die Abstände der Reflexionsspiegelmitten mc, m^ in Richtung der Parabel-Y-Achse ebenfalls e sein.

-5-6 0 9 8 5 1/0465

Die Abhängigkeit der Y-Koordinate des Fokus auf der Unterlage B¹, die deren Koordinate B entspricht, vom Drehwinkel φ wird durch folgende Gleichung gegeben:

a - c · tanß

b -

tan(90o+cp;

tan(2ß+9O°-<p)

Drehwinkel φ wird im mathematisch positiven Sinn von der positiven Parabel-y-Achse aus gemessen. Die Größen a, b, c und β sind der Fig. 2 zu entnehmen, Für den am weitesten entfernten Reflexionsspiegel 5, dessen Mittelpunkt m^ auf der y-Achse liegt, sei z.B. a = 30 cm, c = 0 cm und der Neigungswinkel des Reflexionsspiegels ß = 45 . Der Abstand der Unterlage B vom Koordinatenursprung (ortsfester Drehpunkt 4) möge b = 5 cm sein. Fällt der Laserstrahl L¹ auf den Reflexionsspiegelmittelpunkt m,-, so folgt:

^YU (cp=O) = 30 cm.

Der vom Reflexionsspiegel 5 reflektierte Strahl L" breitet sich demnach parallel zur Parabel-x-Achse aus und fällt senkrecht auf die Unterlage B. Wird der Laserstrahl L¹ um den Drehwinkel φ« = - 3,27048° bzw. cp^= + 3,27048° abgelenkt, so berechnet man:

Y₁J (-3,27048°) = 32 cm

Y₁J (+3,27048°) = 28 cm

Ein Drehwinkel von 2·cd = 6,54096° läßt somit den Fokus einen Bereich f^ von 4 cm auf der Unterlage B überstreichen. Der Vorschub,

-6-60985 1/0465

der aus fünf Reflexionsspiegeln resultiert, führt also im gewählten Beispiel über eine Strecke von 20 cm.

Die Y-Koordinate des nächsten Reflexionsspiegels 6 (Spiegelmittelpunkt mg) muß um 4 cm kleiner sein als die des ersten Reflexionsspiegels 5: a = 26 cm. Der dazu gehörige c-Wert ergibt sich unter Benutzung des in Fig. 2 eingeführten Koordinatensystems aus der Umkehrfunktion der entsprechenden Parabel:

Y = να + 2α · c mit α = 30 cm 26²=/3Ο² + 2 · 30 . c
c = -3,7333 cm

Den Neigungswinkel ß · de? Reflexionsspiegels 6 erhält man aus der Steigung dieser Funktion an der Stelle (-3,7333J 26) zu

γ= |g= 1,15384
ß*= 49,08562°

Der Drehwinkel φ ergibt sich aus tan Φ = ^ . Daraus folgt: φ = 8,17122°. Damit ergeben sich die Grenzwinkel und die Abtaststrecke fp für den zweiten Reflexionsspiegel 6:

Y₁₁(S, 17122° - 3,27048°) = Y_y(4,90074°) = 28 cm Y₁₁(S, 17122° + 3,27048°) = Y_n(11,44170°)= 24 cm

Obwohl die zweite 4 cm lange Abtast strecke fp direkt an der

ersten £_Λ anschließt, besteht zwischen den entsprechenden Grenz-1γ₅ und Y₆ *

winkeln/des ersten und zweiten Reflexionsspiegels eine Lücke:

—7— 609851/046 5

Reflexionsspiegel 5 Υ_π(3,27048°) = 28 cm und Reflexionsspiegel 6 Y_n(^,90074°) = 28 cm,

d.h. Δ(ο = 1,63026°

Während der Laserstrahl L¹ diesen Drehwinkel durchfährt, muß der Laserstrahlerzeuger mit Hilfe eines Modulators ausgeschaltet werden. Anfangs- und Endpunkt einer Strecke können z.B. mit Hilfe

auf der Rotationsachse befestigten einer/Synchronisierscheibe 10 elektronisch festgelegt und justiert werden. Zum Beispiel kann ein sehr genauer zeitlicher Abstand der Schaltimpulse dadurch erzielt werden, daß der von der Synchronisierx scheibe aus der größten absoluten Istwert-Abweichung abgeleitete Impuls als Bezugsimpuls für ein getaktetes Schieberegister verwendet ist, dessen jeweils ^.em Quotienten aus der Ist-Abweichung und der höchstzulässigen Soll-Abweichung der Synchronisierseheibenlmpulse zugeordnete Ausgänge je mit einem Eingang von Und-Gattern verbunden sind, deren anderer Eingang von die Synchronisierscheibenimpulse zählenden Impulsen angesteuert wird. Der Taktgenerator für das Schieberegister wird von der Synchronisierscheibe eingeschaltet und vom Schieberegister ausgeschaltet.

Die Drehwinkeldifferenz Δφ hängt von der Anordnung der Reflexionsspiegel ab, zwischen denen der Laserstrahl abgeschaltet wird.

Reflexionsspiegel 6 Y_TT( 11,44170°) = 24 cm

_n ) Δακ= 2,78014° Reflexionsspiegel 7 Y_n(14,22184°)= 24 cm ^

Reflexionsspiegel 7 Y_n(20,76280°)= 20 cm

) ^ÄC0*= ^,03929

Reflexionsspiegel 8 Y_TT(31,34296°)= 16 cm

= 5,35277

Reflexionsspiegel 9 Y_n(36,69573 )= 16 cm

-8-6 0 9 8 5 1 / 0 ΖΓβ δ

Daß die Unterlage B während des Abtastvorganges innerhalb der Schärfentiefe des Fokus bleibt und wie stark die Scangeschwindigkeit des Fokus auf der Unterlage schwankt, geht aus folgendem hervor:

/.us der Spiegelanordnung ergibt sich, daß die Entfernung Drehpunkt 4-Mitte mt- des ersten Reflexionsspiegels 5 (φ=0°)-Unterlage B 35 cm beträgt. Trifft der Laserstrahl L' dagegen unter dem Drehwinkel φ = +3,27048° auf den ersten Reflexionsspiegel bv, so beträgt die entsprechende Entfernung 35,05709 cm. Der Fokus liegt also 571 /um außerhalb der Unterlage B. Die Schärfentiefe des Laserstrahlfokus

berechnet man durch:

Z « + "£ λ! L· - A ^dp

β a£» /l i/ f\ * wmmeLm

JC ■ Λ

Definiert man die Schärfentiefe durch die Strecke 7, , für die der Laserstrahldurchmesser d um 1C$> größer als der Fokusdurchmesser d„ ist, d.h. d/dp =1,1 , so folgt:

2 2

Qp d π

z.B.

Beträgt der Fokusdurchmesser/dp = 50/um und die Wellenlänge \ = 0,514 /um, so ist Z_g = + 1751/um. Die Unterlage befindet sich also innerhalb der Schärfentiefe. Es ist ersichtlich, daß der Fokus durchmesser noch kleiner gewählt werden kann.

Die Linearität zwischen Drehwinkel φ und y-Koordinate wird dadurch geprüft, daß der Drehwinkel 2 φ = 6,54096° in 10 Teile geteilt und die dazugehörigen Yy-Koordinaten bestimmt werden:

-9- -609851/0^65

	b = 5	cm	a	2524152	(Spiegel 5)	cm
30 cm	,27048°	) =	β = 45°	cm
YuC-3	,61638°	) =	32,00000	cm
V-²	,96228°		31,59936	cm
•sr / Jt	,30819°	) =	31,19916	cm
	65409°)		30,79926	cm
v°»	0°	Λ _	30,39958	cm
	65409°)	=	30,00000	cm
Y₁₁Co,	30819°)	=	29,60041	cm
Y₁₁Ci,	96228°)	=	29,20073	cm
Y₁₁O,	61638°)	rs	28,80083	cm
	27048°)	=	28,40063
V⁵'		28,00000

Der theoretische Yy-Wert wäre an der Stelle φ = + 1,96228° bei

bei 5 ,Spiegeln

linearem Fokusvorschub 28,8 cm. Die Abweichung beträgt/also ca.

8,3/um und ist damit klein gegenüber dem Fokusdurchmesser von = 50/um.

Damit der Laserstrahl auch für die Grenzwinkel auf den Reflexionsspiegel paßt, sollten die Spiegel etwas breiter sein als es aus den Berechnungen folgt.

Patentansprüche:

6 0 9 8 5 1 / 0

Claims

Patentansprüche:

LyLichtstrahlablenkspiegelsystem zum Abtasten von großformatigen Unterlagen, dadurch gekennzeichnet, daß ein schaltbarer stark

gebündelter Lichtstrahl eine Reihe von ortsfesten ebenen Spiegeln überstreicht, deren Mitten auf einer Parabel angeordnet sind und deren Neigung gegenüber der den reflektierten Lichtstrahl aufnehmenden Unterlage identisch mit der Parabelsteigung am Ort der Spiegelmittelpunkte ist.
2. Lichtstrahlablenkspiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Abstand der Spiegelmitten parallel zur Unterlage gleich dem η-ten Teil der Abtastbreite der Unterlage ist, wobei η die Anzahl der Spiegel bedeutet.
3. Lichtstrahlablenkspiegelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist und in der Ebene, in der auch die geradlinige Abtaststrecke liegt, um einen ortsfesten Drehpunkt geschwenkt wird.
4. Lichtstrahlablenkspiegelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt durch eine den Laserstrahl rechtwinklig reflektierende, rotierende optische Einheit z.B. einen zu seiner Drehachse schrägen Spiegel erzeugt wird.

609851/0^6
5. Lichtstrahlablenkspiegelsystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der ortsfesten Spiegel so gewählt ist, daß das Ende einer Abtaststrecke mit dem Anfang der durch den am nächsten ortsfesten Spiegel reflektierten Laserstrahl erzeugten Abtaststrecke übereinstimmt.
6. Lichtstrahlablenkspiegelsystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, d%ß der Laserstrahl abgeschaltet wird, wenn er zwischen zwei ortsfesten Spiegeln befindet.
7. Lichtstrahlablenkspiegelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwinkel eines jeden ortsfesten Spiegels, zwischen denen der Laser eingeschaltet ist, durch eine Synchronisiervorrichtung markiert sind, bei der der von einer Synchronisierscheibe aus der größten absoluten Istwert-Abweichung abge- ^ leitete Impuls als Bezugsimpuls für ein getaktetes Schieberegister verwendet ist, dessen jeweils dem Quotienten aus der Ist-Abweichung und der höchstzulässigen Soll-Abweichung der Synchronisierscheibenimpulse zugeordnete Ausgänge je mit einem Eingang von Und-Gattern verbunden sind, deren anderer Eingang von die SynchronisierScheibenimpulse zählenden Impulsen angesteuert wird.
8. Lichtstrahlablenkspiegelsystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die den Laserstrahl ablenkenden Spiegel hinter einem fokussierenden Objektiv angeordnet sind.
9. Lichtstrahlablenkspiegelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des fokussierenden Objektivs gleich der Entfernung Objektiv-Drehpunkt-ortsfester Spiegelmiitelpunkt-Unterlage ist. ₆09851/0465
10. Lichtstrahlablenkspiegelsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnungsverhältnis des Objektivs so gewählt ist, daß die Unterlage stets innerhalb der Schärfentiefe des Laserstrahlfokus liegt.

609851/0/f 6 5