DE2616988A1 - Lichtstrahlablenksystem zum geradlinigen abtasten von grossformatigen unterlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtstrahlablenksystem mit mechanisch bewegbaren Ablenkmitteln zum geradlinigen Abtasten von großformatigen Unterlagen.

Sollen großformatige Unterlagen mit einem fokussierten Lichtstrahl geradlinig abgetastet werden, so entsteht das Problem, daß im Fall kleiner Fokusdurchmesser, d.h. im Fall geringer Schärfentiefe der Fokus während des Scanvorgangs aus der Abtastebene herausfährt. Benutzt man zum Fokussieren eine "flat-field"-Linse, die vor der Laserstrahlablenkeinheit angeordnet wird (pre-objective), so bleibt zwar auch bei schräg einfallendem Strahl der Fokus in der Ebene der Unterlage, jedoch können bei großen Abtastbreiten immer nur Ausschnitte der Unterlage bearbeitet werden. Darüber hinaus ist eine derartige Linse sehr teuer. Setzt man die Ablenkeinheit hinter die Fokussierlinse (post-objective), so kann man es in einigen Fällen erreichen, daß der Fokus des Lichtstrahls stets in der Abtastebene bleibt, die Fokusbahn ist dann aber eine kompliziert gekrümmte Kurve.

In der älteren Anmeldung P 25 24 152.4 wird ein Lichtstrahlspiegelablenksystem beschrieben, das eine geradlinige Abtastung großformatiger Unterlagen erlaubt, ohne daß der Fokus die Abtastlinie verläßt. Aufgrund der dort verwendeten Spiegelstaffel muß der Abtastvorgang zwischenzeitlich abgebrochen werden. Ein Vorteil ist demgegenüber der lineare Zusammenhang zwischen dem Vorschub des Lichtstrahlfokus und dem Drehwinkel der Ablenkeinheit. Bei vielen Abtastproblemen kommt es jedoch nur darauf an, den Fokus geradlinig in der Abtastebene zu führen, während die oben genannte Linearität nicht erfüllt sein muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abtastvorrichtung zu schaffen, mit der großformatige Unterlagen auch mit sehr kleinen Fokusdurchmessern in einfacher Weise geradlinig abgetastet werden können, ohne daß während des Abtastvorganges der Fokus die ebene Unterlage verläßt.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß ein fokussierter Lichtstrahl so auf die bewegbare Ablenkeinheit und einen kurz vor der abzutastenden Unterlage fest montierten Zusatzspiegel trifft, daß die Fokusbahn des von der Ablenkeinheit reflektierten Strahls in einer Ebene liegt und durch den Zusatzspiegel, dessen Form in Abhängigkeit von der unkorrigierten Fokusbahn gewählt ist und dessen Mantellinien senkrecht auf der Abtastebene stehen, so abgelenkt wird, daß auf der in der Abtastebene liegenden Unterlage eine geradlinige Abtastspur entsteht.

Die Abtastvorrichtung kann sehr raumsparend aufgebaut werden und auf einen linearen Zusammenhang zwischen Vorschub und Drehwinkel der Ablenkeinheit kann verzichtet werden.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar. Es zeigen:

Fig. 1 und Fig. 2 schematisch ein Ablenksystem mit gebogenem Zusatzspiegel,

Fig. 3 und Fig. 4 die Strahlführung bei einem Ablenk-Polygonspiegel.

Die Ablenkeinheit RE, beispielsweise ein prismatischer rotierender Polygonspiegel oder ein schwenkbarer Galvanometerspiegel, muß so beschaffen und gegenüber dem durch die Linse Li fokussierten einfallenden Lichtstrahl L so ausgerichtet sein, daß sich der Fokus stets in einer Ebene bewegt. In dieser Ebene AE, in die später die Unterlage U gebracht wird, beschreibt der Fokus eine komplizierte gekrümmte Bahn BF. Aus dieser Bahn werden zwei Punkte herausgegriffen, so daß ihre Verbindungslinie VF an keiner Stelle von der Fokusbahn BF durchfahren wird. Liegt z.B. die Fokusbahn BF oberhalb der Verbindungslinie (Fig. 1), so wird der Zusatzspiegel ZS derart zwischen der Verbindungslinie und der Fokusbahn BF angeordnet, daß die gewünschte Abtastspur AS und die Verbindungslinie aufeinanderfallen. Liegt die unkorrigierte Fokusbahn BF' dagegen unterhalb der Verbindungslinie (Fig. 2), so wird der Zusatzspiegel ZS' derart unterhalb der unkorrigierten Fokusbahn BF' ange- ordnet, daß die Abtastspur AS parallel zur Verbindungslinie durch oder unterhalb des niedrigsten Punktes der Fokusbahn BF' verläuft. Die Abtastebene AE möge ohne Beschränkung der Allgemeinheit parallel der xy-Ebene eines rechtwinkligen Koordinatensystems und die Verbindungslinie parallel zu dessen x-Achse liegen.

Die Form des Zusatzspiegels ZS bzw. ZS' richtet sich nach der Lage der gewünschten Abtastspur und nach der Gestalt der nichtkorrigierten Fokusbahn, soll aber von der z-Koordinate nicht abhängen. Der Zusatzspiegel ZS bzw. ZS' steht daher senkrecht auf der Abtastebene AE (siehe Fig. 1 und 2).

Um die Form des Zusatzspiegels zu erhalten, werden folgende Betrachtungen angestellt:

Der Vektor zeigt vom Ursprung des Koordinatensystems zur unkorrigierten Fokusbahn. Er setzt sich zusammen aus den Vektoren

(s. Fig. 1 und 2) (1) hängen von der Stellung der Ablenkeinheit ab, die durch den Parameter bestimmt wird.

(2) (3)

Soll der Fokus eine gerade Abtastspur durchfahren, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit parallel zur x-Achse verlaufen möge, so muß er am Zusatzspiegel reflektiert werden. Es gilt dann: (4)

Eta ist hierin die Strecke zwischen dem Aufpunkt q der Ablenkeinheit und dem Reflexionsort auf dem Zusatzspiegel, f die Brennweite der Linse. Da die y-Komponente von konstant sein soll, muß die Bedingung

P[tief]o,y = const = L[tief]y + LambdaE[tief]o,y + EtaR[tief]o,y + (f - Lambda - Eta)S[tief]o,y (5)

erfüllt sein (Fig. 1 und 2). Daraus folgt: (6) kann mit Hilfe des Reflexionsgesetzes berechnet werden: (7) steht senkrecht auf der Oberfläche des Zusatzspiegels und geht vom Schnittpunkt des Lichtstrahls mit dem Zusatzspiegel aus. Aus (6) folgt dann: (8)

Beschreibt die Funktion y = f(x) die Form des Zusatzspiegels, so ist die Steigung der Spiegeloberfläche mit der Richtung von korreliert: (9)

Mit (10)

und (11)

folgt (12)

und (13)

Eta ist somit eine Funktion von Tau und y'.

Die Koordinaten des Schnittpunktes zwischen dem von der Ablenkeinheit RE reflektierten Lichtstrahl und dem Zusatzspiegel ZS sind durch folgende Gleichungen gegeben:

x = L[tief]x + LambdaE[tief]o,x + EtaR[tief]o,x (14)

y = L[tief]y + LambdaE[tief]o,y + EtaR[tief]o,y (15)

Die z-Komponente ist uninteressant, da die Gestalt des Zusatzspiegels von ihr nicht abhängen soll.

Aus Gleichung (14) und (15) folgt durch Elimination von Eta: (16)

Da alle Komponenten der hier auftretenden Vektoren von Tau abhängen, kann diese Gleichung als Bestimmungsgleichung für Tau angesehen werden:

Tau = g (x,y) (17)

Aus Gleichungen (8), (15) und (17) folgt schließlich: (18)

Dies ist eine gewöhnliche Differentialgleichung 1. Ordnung, die die Form des Zusatzspiegels bestimmt. Sie kann durch numerische Verfahren gelöst werden.

Ausführungsbeispiel:

Als Ablenkeinheit RE werde ein prismatischer Polygonspiegel verwendet, dessen Rotationsachse senkrecht auf der Abtastebene steht. Der einfallende Lichtstrahl möge mit der Rotationsachse des Polygonspiegels in einer Ebene liegen (Fig. 3). Es treten folgende Parameter auf:

r[tief]o = Inkreisradius des Polygonspiegels (Fig. 4)

Y[tief]o = Höhe der Linsenmitte über der Rotationsachse

Psi = Einfallswinkel des Lichtstrahls gegenüber der Rotationsachse

f = Brennweite.

Als Variable treten der Drehwinkel Phi des Polygonspiegels und die Ortskoordinaten x[tief]F, y[tief]F und z[tief]F des Fokus auf (Bild 3). Für diese Ablenkvorrichtung gilt:

x[tief]F = P[tief]B,x = - (Y[tief]o-f sin Psi) sin 2 Phi + 2r[tief]o sin Phi (19)

y[tief]F = P[tief]B,y = - (Y[tief]o-f sin Psi) cos 2 Phi + 2r[tief]o cos Phi (20)

z[tief]F = P[tief]B,z = - f cos Psi (21)

Die z-Koordinate des Fokus auf der unkorrigierten Bahn bleibt also konstant. Die in der Rechnung auftretenden Vektoren lauten:

(22) (23) (24) (25) (26)

Außerdem ist (27)

Aus der Bedingung (5) folgt nach Gleichung (8) Eta: (28)

mit

A = (sin 2 Phi Mal M[tief]o,x + cos 2 Phi Mal M[tief]o,y) Mal M[tief]o,y (29)

M[tief]o,x und M[tief]o,y sind mit den Ausdrücken (12) und (13) identisch. Außerdem erhält man als Ortskoordinaten des Zusatzspiegels:

x = Eta sin Psi sin 2 Phi (30) (31)

Hieraus ergibt sich die Bestimmungsgleichung für Phi. Analog zu Gleichung (16) und (17) gilt dann: (32)

Phi = g (x, y) (33)

Damit kann die Differentialgleichung aufgestellt werden: (34)

mit (35)

Für große Brennweiten nimmt die unkorrigierte Fokusbahn innerhalb kleiner Drehwinkel Phi nahezu die Gestalt eines Kreises an. Fig. 3 zeigt dies für f=450 mm, r[tief]o=60 mm, Phi[tief]max=7,4615°, Y[tief]o=68,056 mm, Psi=45°. In diesem Fall ist die Lösung der Differentialgleichung (34) eine Kurve, die ebenfalls fast kreisförmig verläuft. Sie geht durch die beiden Endpunkte der geradlinigen Abtastspur und halbiert für Phi=0° die Entfernung zwischen der Abtastspur und dem höchsten Punkt der unkorrigierten Fokusbahn (Fig. 4). Die Differentialgleichung ergibt zwar die genaue Spiegelform, muß aber nicht unbedingt explizit berechnet und angegeben werden, wenn man zeigen kann, daß ein zylindrischer Hohlspiegel eine Abtastspur erzeugt, die nur wenig von einer Geraden abweicht.

Um dies zu beweisen, geht man mathematisch in umgekehrter Richtung vor. Es wird bei bekannter Form des Zusatzspiegels die y-Komponente der korrigierten Fokusbahn bestimmt:

P[tief]y = L[tief]y + LambdaE[tief]o,y + EtaR[tief]o,y + (f - Lambda - Eta) S[tief]o,y (36)

Eta berechnet man aus: (37)

Hier ist y die Höhe des Zusatzspiegels über der xz-Ebene. Mit Hilfe des Pythagorassatzes folgt aus Bild 3: (38)

Hierin ist ABW die maximale Abweichung der unkorrigierten Fokusbahn an der Stelle X(Phi[tief]max)=80 mm und Zeta der Radius des zylindrischen Hohlspiegels: (39)

Aus Gleichung (38) erhält man (40)

mit (41)

Die Richtung von folgt leicht aus Bild 3: (42)

Daraus folgt (43)

Weiterhin ist

S[tief]o,y = sin Psi cos 2 Phi - 2 sin Psi (sin 2Phi Mal M[tief]o,x+cos 2 Phi Mal M[tief]o,y) Mal M[tief]o,y (44)

und schließlich (45)

Um nun die Differenz zur geradlinigen Abtastspur zu erhalten, betrachtet man zweckmäßig den Ausdruck (46)

Unter den oben angegebenen Voraussetzungen:

f = 450 mm, r[tief]o = 60 mm, Y[tief]o = 68,056 mm

Psi = 45°, Phi[tief]max = 7,4615°, ABW = 9,45273 mm

X[tief]max = 80 mm, Zeta = 679,4163 mm

ergeben sich folgende Abweichungen:

Phi (Grad) D[tief]y (mm)

0 0

1 0,0005

2 0,0020

3 0,0040

4 0,0061

5 0,0074

6 0,0069

7 0,0032

7,4615 0

Diese Abweichungen sind sehr klein im Verhältnis zur Abtastbreite. Es kann also ein zylindrischer Hohlspiegel als Korrekturelement verwendet werden. Da er sich leicht herstellen läßt, ist diese Spiegelform besonders vorteilhaft.

Es muß schließlich noch gezeigt werden, daß sich die geradlinige Abtastspur in einer zur xy-Ebene parallelen Ebene befindet:

P[tief]z = L[tief]z + LambdaE[tief]o,z + EtaR[tief]o,z + (f-Lambda-Eta) S[tief]o,z (47)

Da senkrecht auf der Oberfläche des Zusatzspiegels steht, ist M[tief]o,z = 0. Aus Gleichung (7) folgt daher:

S[tief]o,z = R[tief]o,z also ist

P[tief]z = L[tief]z + LambdaE[tief]o,z + EtaR[tief]o,z + (f-Lambda-Eta) R[tief]o,z (48)

= L[tief]z + LambdaE[tief]o,z + fR[tief]o,z - LambdaR[tief]o,z

= - Lambda cos Psi - f cos Psi + Lambda cos Psi

= - f cos Psi.

Die Abtastspur liegt somit in derselben Ebene, in der auch die unkorrigierte Fokusbahn liegt.

Leerseite

Claims (6)

1. Lichtstrahlablenksystem mit mechanisch bewegbaren Ablenkmitteln zum geradlinigen Abtasten von großformatigen Unterlagen, dadurch gekennzeichnet, daß ein fokussierter Lichtstrahl so auf die bewegbare Ablenkeinheit und einen kurz vor der abzutastenden Unterlage fest montierten Zusatzspiegel trifft, daß die Fokusbahn des von der Ablenkeinheit reflektierten Strahls in einer Ebene liegt und durch den Zusatzspiegel, dessen Form in Abhängigkeit von der unkorrigierten Fokusbahn gewählt ist und dessen Mantellinien senkrecht auf der Abtastebene stehen, so abgelenkt wird, daß auf der in der Abtastebene liegenden Unterlage eine geradlinige Abtastspur entsteht.

2. Lichtstrahlablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierlinse eine so große Brennweite hat, daß die Fokusbahn, die ohne Benutzung des Zusatzspiegels auf der Unterlage entsteht, nahezu ein Kreisbogen ist.

3. Lichtstrahlablenksystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzspiegel ein in Richtung des einfallenden Lichtstrahls geöffneter zylindrischer Hohlspiegel verwendet ist, dessen Sehne mindestens so lang wie die abzutastende Unterlage ist und parallel zur abzutastenden Zeile verläuft, derart, daß der ohne Hohlspiegel entstehende Kreisbogen durch die Sehnenenden des zylindrischen

Hohlspiegels geht und die Entfernung zwischen der höchsten Stelle des unkorrigierten Kreisbogens und der Sehne des Hohlspiegels durch die höchste Stelle des zylindrischen Hohlspiegels halbiert wird.

4. Lichtstrahlablenksystem nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtstrahl ein Laserstrahl verwendet ist.

5. Lichtstrahlablenksystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Ablenkeinheit ein rotierender Polygonspiegel ist.

6. Lichtstrahlablenksystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit ein schwenkbarer Galvanometerspiegel ist.