DE2825550A1

DE2825550A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtasten eines gegenstandes mit einem laserstrahl

Info

Publication number: DE2825550A1
Application number: DE19782825550
Authority: DE
Inventors: Steven K Harbaugh
Original assignee: Eocom Corp
Current assignee: CNA Holdings LLC
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1978-06-10
Publication date: 1979-01-04
Also published as: IT1096713B; FR2394105A1; SE7806778L; GB2000321A; CA1107105A; AU519986B2; GB2000321B; AU3695178A; IT7824403A0; NL7806306A; FR2394105B1; JPS5418301A

Description

PATE NTANWAL. TEi

2325550

J. RICHTER F. WERDERMANN

DIPL.-1N6. DIPI_.-INe.

HAMBURS

R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER

DIPL.-ING. DIPL.-CHEM.

MÖNCH

Anmelder:

ECOM CORPORATION

19722 Jamboree Boulevard

Irvine, Kalif.

(V. St. A.)

2OOO Hamburg 36 ,den 9. 6. 1978

NEUER WALL 1O TEL. (O4O) 34 OO 45 34 OO 56 TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

: E. 1852-1-78291 Fl.

IHR ZEICHEN:

Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten eines Gegenstands mit einem Laserstrahl

Priorität: V. St.A. , Ser. No. 805,445 vom 10.Juni 1977

Erfinder : Steven K. Harbaugh

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Konten: Deutsche Bank AG Hamburg (BLZ 20070000) Konto-Nr. 6/10 055 · Postscheckamt Hamburg (BLZ 20010020) Konto-Nr. 282080-201

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtasten eines Gegenstands mit einem Laserstrahl.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtasten eines Gegenstands mit einem Laserstrahl zu schaffen, bei denen die Abtastung frei ist von Fehlern oder Flattern in senkrechter Richtung, die verträglich sind mit einer flachen Feldabtastung, für konstante, äußerst hohe Abtastgeschwindigkeiten bei einer einzigen Abtastrichtung und bei hohem Abtastwirkungsgrad und z.B. für die synchrone Faksimile-Übertragung geeignet sind und Mehrstrahl-Lese- und Schreibvorgänge ermöglichen, bei denen durch die Strahlen unterschiedlicher Frequenz keine chromatische Aberrationen hervorgerufen werden.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl an einer drehbar gelagerten, ebenen, reflektierenden Oberfläche reflektiert und der an dieser Oberfläche reflektierte Laserstrahl in der Weise zu der reflektierenden Oberfläche rückgeführt wird, daß eine Winkelkomponente des Laserstrahls um 180° versetzt ist und der von der reflektierenden Oberfläche ausgehende Laserstrahl diese Winkelkomponente nicht mehr aufweist.

Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens bilden den Gegenstand der Unteransprüche 2-6.

Die weiterhin vorgeschlagene Abtastvorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Teil mit einer ebenen, reflektierenden Oberfläche, einen Antrieb für diesen Teil mit der ebenen, reflektierenden Oberfläche, an welcher ein Laserstrahl reflektierbar ist, eine Spiegelanordnung, die dazu dient, den reflektierten Laser-

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strahl wieder auf die ebene, reflektierende Oberfläche zurückzulenken, so daß dieser an der ebenen, reflektierenden Oberfläche ein zweites Mal reflektierbar, eine Winkelkomponente des Laserstrahls um 180° rückführbar und diese Winkelkomponente aus dem Strahl eliminierbar ist.

Weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung bilden den Gegenstand der Unteransprüche 8-12.

Bei dem hier zur Erläuterung betrachteten Ausführungsbeispiel bildet die Abtastvorrichtung einen Teil eines Systems zum Belichten einer lichtempfindlichen Oberfläche für die Herstellung von Druckplatten. Dieses System umfaßt einen Belichtungstisch zur Aufnahme des lichtempfindlichen Mediums, wobei ein Laserschreibstrahl eine aktinische Plattenoberfläche bestreicht und diese selektiv entsprechend der Strahlstärke belichtet. Gleichzeitig bestreicht ein Laserlesestrahl eine Kopie eines Gegenstands, im allgemeinen einer Vorlage, wobei ein Signal erzeugt wird, das sich in Abhängigkeit von dem abgetasteten Reflexionsvermögen der Vorlage ändert. Dieses Signal steuert einen Modulator im Schreibstrahllaser, wodurch dessen Ausgangsleistung entsprechend gesteuert wird. Laserlesestrahl und Laserschreibstrahl werden zusammengefaßt und der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung zugeführt. Die Abtastvorrichtung verlagert die Laserstrahlen seitwärts, d.h. zeilenweise in einer als waagerecht bezeichneten Richtung um bestimmte Winkelbeträge, nämlich eine Winkelabtastkomponente, wobei die Abtastung jedoch keine Ablenkung nach oben oder unten, d.h. keine senkrechte Winkelkomponente zur Folge hat. Bei Austritt aus der Abtastvorrichtung durchlaufen die Strahlen vorzugsweise ein für Bildfeldabflachung ausgebildetes Objektiv und werden dann durch entsprechende optische Bauelemente

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aufgespalten und der Vorlage bzw. dem zu beschreibenden Medium zugeführt. In der Abtasteinheit ist eine Abtastscheibe von praktisch pyramidenförmiger Formgebung vorgesehen. Entsprechend'einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Abtastscheibe die Form einer aus einer Kreisscheibe ausgeschnittenen dreiecksförmigen, regelmäßigen Pyramide auf, deren Stirnflächen mehrere ebene, reflektierende Oberflächensegmente bilden. Die Abtastscheibe ist drehbar gelagert um eine durch den Scheitel der pyramidenförmigen Scheibe verlaufende, symmetrisch angeordnete Achse. Bei Umlauf wird nacheinander jedes Oberflächensegment in den Weg des zusammengefaßten Laserstrahls gebracht, wobei dieser unter einem dem halben Pyramidenwinkel entsprechenden Winkel reflektiert wird, so daß das ebene Oberflächensegment seinen Winkel an einer Einfalls-Ausfalls-Reflexionsflache der Abtastvorrichtung ändert. Neben der Abtastscheibe befindet sich eine aus zwei Spiegeln bestehende Dachspiegelanordnung, auf welche der zusammengefaßte Laserstrahl reflektiert, und von welcher der Laserstrahl erneut zur Abtastscheibe hin reflektiert wird, so daß der Strahl an der Abtastscheibe ein zweites Mal reflektiert wird. Bei Drehung jedes Oberflächensegments durch den Weg des Abtaststrahls ruft die sich ändernde Winkelausrichtung waagerechte und senkrechte Winkelablenkkomponenten im Strahl hervor, wobei die waagerechte Winkelkomponente bei der zweiten, ausgangsseitigen Reflexion an der Abtastscheibe verdoppelt wird, wohingegen die senkrechte Abtastkomponente durch Umkehr an der Dachspiegelanordnung eliminiert wird. Beim Durchgang jedes Oberflächensegments durch den Weg des Laserstrahls befindet es sich in bezug auf die Drehachse unter einem Neigungswinkel, der gleich ist dem halben Scheitelwinkel der zugeordneten Pyramidenfläche, so daß das Oberflächensegment daher für den einfallenden Strahl

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einen Reflexionswinkel vorgibt, der sich von Seite zu Seite entsprechend dem Neigungswinkel verändert und einen Maximalwert aufweist, wenn die Senkrechte auf das Oberflächensegment zu dem Strahl ausgerichtet ist. Der Neigungswinkel ergibt auf beiden Seiten ein senkrechtes Minimum. Gleichzeitig ist der eingeführte waagerechte Winkel auf beiden Seiten des Oberflächensegments ein Maximum und null in der Mitte. Auf diese Weise wird der Strahl um die doppelte waagerechte Winkelkomponente abgelenkt und dann durch das Objektiv in den entsprechenden Bildebenen fokussiert. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Dreieckspyramide drei Seitenflächen mit Segmenten von jeweils 120° Winkelerstreckung um die Drehachse auf, so daß sich jedes Oberflächensegment bei seinem Eintritt in den Strahl von der einen zur anderen Seite immer wiederkehrend in der gleichen Richtung mit praktisch konstanter Geschwindigkeit verlagert. Dadurch wiederholen sich beim Durchlaufen des Strahlweges durch die Oberflächensegmente die von Seite zu Seite verlaufenden Abtastspuren.

Weitere Merkmale der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels ersichtlich. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine schematische, schaubildliche Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Laserstrahl-Abtastvorrichtung zum Abtasten einer Vorlage und Belichten einer lichtempfindlichen Platte,

Fig. 2 ein teilweise im Schnitt dargestellter Aufriß der Abtasteinheit der Vorrichtung von Fig. 1, entlang der Linie 3-3,

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Fig. 3 eine Draufsicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 2,

Fig. 4 eine Vorderansicht der Abtastscheibe der Vorrichtung von Fig. 1, entlang der Linie 4-4 von Fig. 3,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Dachspiegelanordnung der Abtasteinheit in der Vorrichtung von Fig. 1, entlang der Linie 5-5 von Fig.2,

Fig. 6 ein Querschnitt durch den oberen Spiegel entlang der Linie 6-6 von Fig. 5,

Fig. 7 ein Querschnitt entlang der Linie 7-7 von Fig. 6,

Fig. 8 eine Vorderansicht der Dachspiegelanordnung entlang der Linie 8-8 von Fig. 5,

Fig. 9 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Prinzips, nach dem eine senkrechte Winkelabweichung aus dem Strahl bei Reflexion an einer aus zwei Spiegeln bestehenden Dachspiegelanordnung ähnlicher Ausführung wie bei der Erfindung eliminiert wird,

Fig.10 eine schematische, schaubildliche Ansicht der optischen Elemente der Abtasteinheit, mit Darstellung eines HauptStrahlweges in einem mittleren Neigungswinkel der Abtastscheibe,

Fig.HA eine Vorderansicht der Strahllage in mittlerer Position (maximale Neigung) des Abtastscheibenoberflächensegments von Fig.1, wobei ersichtlich ist, daß keine waagerechten Winkelkomponenten vorhanden sind,

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Fig. 11B eine schematische Darstellung des Strahlweges in einer senkrechten Ebene entlang der Linie 11B-11B von Fig. 11A,

Fig. 11C eine Draufsicht entlang der Linie 11C-11C, zur Darstellung der Strahlen von Fig. 11A in einer waagerechten Ebene,

Fig. 12A eine Vorderansicht der Strahllage in mittlerer Position zwischen kleinster und größter Neigung des Abtastscheibenoberflächensegments der Abtasteinheit von Fig.1 ,

Fig. 12B eine schematische Darstellung des Strahlweges in einer senkrechten Ebene entlang der Linie 12B-12B von Fig. 12A,

Fig. 12C eine Draufsicht entlang der Linie 12C-12C, zur Darstellung der Strahlen von Fig. 12A für einen Zwischenwert der Winkelablenkung,

Fig. 13A eine Vorderansicht der Strahllage in mittlerer Position für kleinste Neigung des Abtastscheibenoberflächensegments der Abtasteinheit von Fig. 1 ,

Fig. 13B eine schematische Darstellung des Strahlweges in einer senkrechten Ebene entlang der Linie 13B-13B von Fig. 13A,

Fig. 13C eine Draufsicht entlang der Linie 13A-13A, zur Darstellung der Strahlen von Fig. 13A in einer waagerechten Ebene bei größter waagerechter Winkelablenkung.

Zum Erzeugen des Laserlesestrahls 36 ist ein Helium-Neon-Laser 58 vorgesehen, der Strahlung mit der Wellenlänge

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6328 Angström im roten Bereich des sichtbaren Spektrums liefert, die einen Strahlaufweiter und Kollimator 60 durchsetzt und in Form eines kollimierten Strahls 64 auf einen Umlenkspiegel 62 fällt, der entlang eines vorbestimmten Strahlweges 66 einen dichroischen Strahlkombinator 67 durchsetzt, dessen Oberflächen selektiv durchlässig sind für die Strahlung von 63 28 Angström.

Zur Belichtung einer auf einem Belichtungstisch 20 befindlichen lichtempfindlichen Platte 22 als Abtastgegenstand ist ein weiterer Laserstrahl vorgesehen, der aktinisch auf die lichtempfindliche Oberfläche abgestimmt ist. Der entsprechende Laser besteht typischerweise aus einem Argon-Ionenlaser 68, der einen Ausgangsstrahl 34 mit der Wellenlänge 4880 Angström im blauen Teil des sichtbaren Spektrums bei einer Ausgangsleistung von etwa 10 mW liefert. Dieser Ausgangsstrahl durchläuft einen herkömmlichen akustisch-optischen Modulator 74, welcher die Strahlstärke des durchgelassenen Strahls steuert. Der Strahl 34 wird über einen Umlenkspiegel 76 durch einen Strahlaufweiter und Kollimator 78 geleitet und trifft auf den dichroischen Strahlenkombinator 67. Der Strahlenkombinator 67 läßt den Strahl 64 hindurch und reflektiert an seiner Vorderfläche den blauen, zur Belichtung dienenden Laserstrahl 34, so daß beide Strahlen 64 und 34 zu einem gemeinsamen Strahl 66 zusammengefaßt sind, welcher in vorbestimmter Richtung auf einen Umlenkspiegel 80 fällt, der an dem Abtasttisch 38 angeordnet ist und die Strahlung der Abtasteinheit 50 zuführt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, dient die Abtasteinheit 50 dazu, den gemeinsamen Strahl in waagerechter Richtung abzulenken und den abgelenkten Strahl dann einem Objektiv 82 mit flachem Bildfeld zuzuführen. Nach Durchlaufen des Objektivs 82 trifft der gemeinsame Laserstrahl auf einen dichroischen

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Strahlenteiler 84, welcher das blaue , aktinische Licht, d.h. den Laserschreibstrahl 34 nach oben auf einen Umlenkspiegel 86 reflektiert, von welchem er durch eine Durchbrechung 88 im Abtasttisch 38 hindurch auf das lichtempfindliche Medium, die zu belichtende Platte 22 fällt. Der dichroische Strahlenteiler 84, welcher in ähnlicher Weise wie der Strahlenkombinator 67 ausgebildet ist, läßt den roten oder Laserlesestrahl 36 hindurch. Dieser Lesestrahl 36 fällt auf einen Umlenkspiegel 90 und wird an diesem durch eine zweite Durchbrechung 92 im Abtasttisch 38 hindurch nach unten auf den Gegenstand, hier eine abzutastende Vorlage 26, gerichtet.

Der Abtasttisch weist üblicherweise ein optisches Lesegerät 94 auf. Da Vorlage und lichtempfindliche Platte praktisch gleichzeitig von dem Laserstrahl 36 bzw. 34 abgetastet werden, wird der auf die Vorlage 26 auffallende Laserlesestrahl in ein Faseroptikbündel 96 reflektiert, dessen Fasern langgestreckt in einer Linie nebeneinander in einer Reihe über die ganze Breite der abzutastenden Vorlage hinweg angeordnet sind. Der Ausgang des Faseroptikbündels ist an eine (nicht dargestellte) Fotovervielfacherröhre angeschlossen und wird in dieser in ein elektrisches Signal umgesetzt, welches die Strahlstärke am Ausgang des akustisch-optischen Modulators 74 steuert.

Die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung 50 ist in den Figuren 2 bis 8 in Einzelheiten dargestellt. Sie besteht ganz allgemein aus einer Dachspiegelanordnung 100, die optisch mit einer als Eingangs- und Ausgangselement dienenden, pyramidenförmigen Abtastscheibe 102 gekoppelt ist, welche Oberflächensegmente 104, 106 und 108 aufweist, die nacheinander den Weg des einfallenden Laserstrahls durchlaufen und diesen in einer weiter unten beschriebenen Weise ablenken. Der eingangsseitige Umlenkspiegel 80,

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welcher feststehend an der Unterseite des Abtasttischs 38 angeordnet ist, fängt den vom Lasertisch 30 kommenden gemeinsamen Laserstrahl 66 auf und lenkt diesen nach oben auf eine geeignete Stelle der pyramidenförmigen Abtastscheibe 102 ab. Der gemeinsame Strahl 66 wird dann durch ein Oberflächensegment 104, 106 oder 108 zu einem ersten Spiegel 110 der Dachspiegelanordnung 100 hin reflektiert, trifft dann auf den zweiten Spiegel 112 der Dachspiegelanordnung 100 und wird von diesem zum gleichen Oberflächensegment 104, 106 bzw. 108 der Abtastscheibe 102 hin reflektiert. Der Strahl wird dabei stets durch ein und dasselbe Oberflächensegment reflektiert und gelangt nach Durchlaufen der Dachspiegelanordnung 100 in das Objektiv 82. Die Reflexionswinkel an den Oberflächensegmenten der pyramidenförmigen Abtastscheibe und an den Dachspiegeln 110, 112, sowie am Umlenkspiegel 80 geben die senkrechte Lage des gemeinsamen Strahls bei seinem Austritt aus der Dachspiegelanordnung 100 vor.

Die Dachspiegel 110 und 112 sind in gegenseitigem Abstand vermittels eines an einem Untergestell 114 befestigten Rahmens 116 gehalten. Der untere Dachspiegel 112 ist fest an dem Untergestell 114 befestigt, wohingegen der obere Dachspiegel 110 von einem Tragring 118 gehalten ist, dessen Winkelausrichtung vermittels einer Dreipunktaufhängung veränderlich ist, die aus Differentialschrauben 120 besteht, welche in einen oberen Querträger 122 eingeschraubt sind (Fig. 5) und eine genaue gegenseitige Ausrichtung der Spiegel ermöglichen. Entsprechend der Darstellung sind die Dachspiegel 110 und 112 in einem gegenseitigen Abstand angeordnet und bilden zwischen sich eine Abtastöffnung 124 für den ausgangsseitigen Abtaststrahl, durch welche hindurch dieser auf das Objektiv fällt. Der gegenseitige Winkel der beiden Spiegel 110

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und 112 beträgt etwa 55,8°. Es läßt sich zeigen, daß der gemeinsame Strahl um insgesamt 360° abgelenkt wird. Dieser Winkel ist vorgegeben durch den Winkel des Umlenkspiegels 80 und den doppelten Winkel zwischen den beiden Dachspiegeln 110 und 112, wobei sich ein Gesamtwinkel von 3 60° ergibt. Diese Winkel geben eine feste Winkelbeziehung zwischen dem Ausgangsstrahl in senkrechter Winkelausrichtung mit dem Objektiv zu dem gemeinsamen Eingangsstrahl 66 vor. Der Neigungswinkel der pyramidenförmigen Abtastscheibe beeinflußt jedoch nicht den senkrechten Austrittswinkel, sondern lediglich wie weiter unten beschrieben die senkrechte Verlagerung des gemeinsamen Strahls.

Die pyramidenförmige Abtastscheibe 102 ist auf einer Welle 130 gelagert, die ihrerseits drehbar in Lagern 132 und 134 eines Gehäuses 136 geführt ist. Das Gehäuse 136 trägt an seinem anderen Ende einen Antriebsmotor 138, welcher unmittelbar mit der Welle 130 gekoppelt ist. Der Antriebsmotor 138 kann beispielsweise aus einem Gleichstrommotor mit Feldwicklungen 139 bestehen, welcher für Drehzahlen von bis zu 10 000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt ist. Eine auf dem anderen Ende der Welle 130 angeordnete Kodierscheibe 140 bildet einen Teil eines optischen Abtasters 142, mit dem ein zerhacktes elektrisches Signal erzeugt wird, welches Drehzahl und Ausrichtung der pyramidenförmigen Abtastscheibe 102 anzeigt.

Das Gehäuse 136 ist vermittels einer Halterung 144 auf dem Abtasttisch 38 gehalten. Die Drehachse der Abtastscheibe 102 liegt in der Ebene der optischen Achse des Objektivs 82 und der Achse des einfallenden Strahls. Die Senkrechten auf die Oberflächen der Dachspiegel 110 und 112 liegen ebenfalls in der gleichen Ebene.

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Wie am besten aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich, entsprechen die reflektierenden vorderen Oberflächen der pyramidenförmigen Abtastscheibe der Form einer Pyramide. Aus Gründen der einfachen Herstellbarkeit wird die Scheibe aus einer Kreisscheibe aus Aluminium oder Beryll hergestellt und geschliffen. Doe Pyramide der Abtastscheibe ist vorzugsweise eine regelmäßige Dreieckspyramide, deren Symmetrieachse und (gedachter) Scheitel in der Drehachse liegen. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, ist der Scheitel bei 120a abgeflacht, so daß die Scheibe technisch einen Pyramidenstumpf darstellt, was jedoch im Rahmen der Erfindung nicht wesentlich ist. Die Pyramide bildet somit mehrere und wenigstens drei reflektierende Oberflächensegmente von einander identischer Beschaffenheit, welche in bezug auf die Drehachse jeweils einen Winkel von 120° miteinander einschließen. Jedes Oberflächensegment stellt eine sehr genau ausgebildete, ebene, reflektierende Oberfläche dar. Die reflektierenden Oberflächen werden mit optischen Prüfgläsern geprüft, die vermittels eines entsprechenden Kitts auf der Abtastscheibe befestigt werden. Es ist wichtig, daß jedes Oberflächensegment mit hoher Genauigkeit optisch eben ist, da die auf das Segment einfallenden und an diesem reflektierten Strahlen bei Umlauf der Scheibe im allgemeinen nicht an der gleichen Stelle liegen.

Jedes Segment bildet im Raum eine Ebene, die um einen vorbestimmten Winkel (90° - 1/2 des Scheitelwinkels) in bezug auf eine zur Abtastscheibendrehachse senkrechte Ebene geneigt ist. Da das Segment den gemeinsamen Strahl durchläuft, ergibt sich die gleiche Wirkung wie wenn eine Ebene den gemeinsamen Strahl durchläuft und dabei ihren Neigungswinkel zu diesem Strahl ändert. Da sich jedes Segment nur über einen Winkel von 120° erstreckt, ändert

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sich die Ausrichtung der Ebene von einem Minimalwert auf einer Seite über einen Maximalwert in der Mitte wieder zu einem Minimalwert auf der anderen Seite, d.h. der normale Vektor dieses Segments beginnt mit einem maximalen waagerechten Ablenkwinkel zur Symmetrieebene, durchläuft dann null und nimmt anschließend fortschreitend wieder einen Maximalwert auf der gegenüberliegenden Seite an, wonach die Kante 146 zwischen zwei einander benachbarten Oberflächensegmenten den gemeinsamen Strahl durchläuft (Totzeit), und sich dieser Vorgang wiederholt, wobei eine Abtastspur erzeugt wird, welche nur in einer Richtung von der einen zur anderen Seite des Systems verläuft. Der gemeinsame Strahl 66 wird bei 150 vermittels des Umlenkspiegels 80 abgelenkt und erfährt weitere Reflexionen, nämlich a) eine erste Reflexion am Oberflächensegment bei 152, b) eine Reflexion am oberen Dachspiegel 110 der Dachspiegelanordnung bei 154, c) eine Reflexion am unteren Dachspiegel 112 der Dachspxegelanordnung bei 156 und d) eine zweite Reflexion am Oberflächensegment 104 bei 158, wonach der gemeinsame Strahl um insgesamt einen Winkel von 360° abgelenkt und in senkrechter Richtung versetzt worden ist, so daß er zwischen den Dachspiegeln 110 und 112 hindurch austritt und in einer zur Einfallsrichtung des gemeinsamen Strahls auf den Umlenkspiegel 80 parallelen Richtung auf das Objektiv 82 fällt.

Jedes reflektierende Oberflächensegment 104, 106 oder 108 bewirkt an seiner Oberfläche auf die Summe der beiden Reflexionen bei 152 und 158 insgesamt vier mögliche Abweichungen des gemeinsamen Strahls, nämlich eine waagerechte Winkelablenkung, eine senkrechte Winkelablenkung, eine waagerechte Verlagerung und eine senkrechte oder Höhenverlagerung. Bei Prüfung der Problemstellung zeigt sich, daß zur Erzeugung einer genauen, geradlinigen Abtastspur in der Brennebene des Objektivs 82 die einzige

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Bedingung an die Abweichungen bzw. Ablenkungen darin besteht, daß die senkrechte Winkelkomponente konstant und unveränderlich ist, wohingegen die waagerechte Winkelkomponente von Seite zu Seite in einem sich wiederholenden Muster fortschreitet. Dies sei zum besseren Verständnis anhand Fig. 9 erläutert.

Wie aus Fig. 9 ersichtlich, erfährt ein an einer 90°- Dachspiegelanordnung aus zwei Dachspiegeln M1 und M2 reflektierter Strahl als Funktion einer Neigungswinke1-änderung eines Reflektors R, der den Einfalls- und den Austrittsstrahl der Dachspiegelanordnung umlenkt, keine senkrechte Winkeländerung, d.h. Winkeländerung in der senkrechten Richtung. Eine bekannte Eigenschaft von aus zwei Spiegeln bestehenden Dachspiegeln ist, daß die Richtung des von diesen austretenden Strahls gleich der des einfallenden Strahls ist. So wird beispielsweise ein reflektierter Strahl unter genau dem gleichen Winkel wie bei seinem Eintritt in einer senkrecht zur Schnittlinie des Dachprismas liegenden Ebene reflektiert. Das gilt entsprechend Fig. 9 unabhängig von einer Änderung des Neigungswinkels eines Reflektors, der einwandfrei eben ist und an dem der in die Anordnung einfallende, sowie der austretende Strahl reflektiert werden. Aufgrund dieser Umkehrung an der Dachspiegelanordnung wird die Winkelkomponente der Neigung des Reflektors für den einfallenden Strahl genau aufgehoben, wobei jedoch eine Verlagerung oder ein Höhenfehler Δ V auftritt. Für einen einwandfrei ebenen Reflektor R oder eines der Oberflächensegmente 104, 106, 108 bleibt der senkrechte Winkel des austretenden Strahls bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls unverändert in bezug auf den einfallenden Strahl, und das auch dann, wenn die ausgangs- und eingangssei tig angeordneten reflektierenden Oberflächensegmente 104, 106 oder 108, d.h. die Abtastscheibe 102 eine senk-

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rechte Höhenverlagerung und eine waagerechte Winkel- und Lageversetzung hervorrufen. Da der Strahl jedoch in bezug auf das Objektiv in senkrechter Richtung ausgerichtet ist und keine Änderung in der senkrechten Winkelkomponente erfährt, bestreicht jeder in jeder Brennebene eine gerade Linie.

Die vorstehenden Ausführungen treffen auch dann zu, wenn die Toleranzen für die Genauigkeit von Oberflächensegment zu Oberflächensegment, für die Lagerpaßgenauigkeit der Wellenlagerung, aufgrund von Vibrationen und anderen Veränderlichen der umlaufenden Abtastscheibe verhältnismäßig groß sind. Als einzige und absolute Präzisionsbedingung ist lediglich die Ebenheit der drei Oberflächensegmente 104, 106 und 108 erforderlich.

Die schaubildliche Darstellung von Fig. 10 zeigt im einzelnen besser den dreidimensionalen Charakter der Bewegung des Strahls während des Abtastvorgangs. Die verschiedenen Strahlabschnitte haben die folgenden Eigenschaften :

ff
Der Strahlabschnitt 160 ist ortfest. Der Strahlabschnitt 162 unterliegt einem waagerechten und einem senkrechten Ablenkwinkel bei der ersten Reflexion an der Abtastscheibe. Die Strahlabschnitte 164 und 166 sind aufgrund der Ablenkung an den Dachspiegeln der Dachspiegelanordnung weiter in senkrechter und waagerechter Richtung versetzt. Der Strahlabschnitt 168 weist keine senkrechte Winkelversetzung mehr auf, der waagerechte Ablenkwinkel ist verdoppelt und die senkrechte und waagerechte Versetzung sind vergrößert.

In Fig. 11A ist das Abtastscheibenoberflächensegment in seiner mittleren Position dargestellt, welche der Position

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der maximalen senkrechten Höhenablenkung entspricht. Fig. 11B zeigt, daß der Strahl von den Dachspiegeln 110, 112 einmal im Kreis und nahezu an die Stelle des einfallenden Strahls reflektiert wird und nach seiner zweiten Reflexion an der Abtastscheibe 102 das System zwischen den Dachspiegeln hindurch verläßt. In den Fig. 12A bis 12C und 13A bis 13C ist das Oberflächensegment in weiter fortgeschrittenen Drehstellungen dargestellt, wobei es zunächst nur um einen kleinen Drehwinkel weitergedreht und dann nahezu bis zur Grenze seiner Bewegung zur einen Seite hin gedreht ist, wobei außerdem die fortschreitende Zunahme in der waagerechten Winkelablenkung, die waagerechte Versetzung und die geringe senkrechte Versetzung dargestellt sind, welchen der Strahl unterliegt, wobei außerdem ersichtlich ist, daß keine senkrechte Winkelabweichung erfolgt. Aus diesen Darstellungen ist außerdem die interessante Erscheinung zu ersehen, daß die senkrechte Höhenversetzung bewirkt, daß die zweite Reflexion an dem Abtastscheibenoberflächensegment dem sich drehenden Segment auf seinem Kreisweg folgt und dadurch verhindert wird, daß der Strahl von dem reflektierenden Oberflächensegment in seitlicher Richtung wegwandert .

Sowohl die waagerechte als auch die senkrechte Versetzung des Strahls sind durch den Neigungswinkel vorgegeben, d.h. 180° minus dem halben Scheitelwinkel des Oberflächensegments der pyramidenförmigen Abtastscheibe. Bei Systemen ziemlich langer Brennweite, welche bei dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel verwendet werden, beträgt der gewünschte waagerechte Abtastwinkel etwa 13° und gibt den Scheitelwinkel der Abtastscheibe vor, so daß der zwischen einer zur Dreh- oder Symmetrieachse senkrechten Ebene und der Oberflächensegmentebene eingeschlossene Winkel 6° beträgt. Der Pyramidenscheitelwinkel ist der

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Winkel zwischen den Pyramidenseitenflächen an deren Schnittpunkt und läßt sich für regelmäßige Pyramiden mit einer geraden Anzahl von Seitenflächen, d.h. quadratische, regelmäßige Pyramiden, leicht vorgeben. Allgemein betrachtet ist für alle Pyramiden mit ungerader oder gerader Seitenzahl der Scheitelwinkel gleich dem doppelten Winkel zwischen einer Seite und der Symmetrieachse der Pyramide. Wenn ein größerer Ausschlag erwünscht ist, werden die Bauteile in unterschiedlichen gegenseitigen Abständen angeordnet, und ein größerer Scheitelwinkel liefert eine größere waagerechte Winkelablenkung. In diesem Zusammenhang ist auch möglich, eine Abtastscheibe in der Weise auszubilden, daß die Facetten oder Oberflächensegmente in unterschiedliche Neigungsstellungen einstellbar sind. Wenigstens für kleine Änderungen führt das dazu, daß die waagerechte Abtastbreite innerhalb eines begrenzten Bereichs verändert werden kann, was für bestimmte Anwendungen sehr nützlich ist. Wenn jedoch die Abtastbreite über einen bestimmten Betrag hinaus gesteigert werden soll, müssen die Winkel und die Lage der beiden Dachspiegel ebenfalls geändert werden.

Eine Eigenschaft von Objektiven ist, daß sie unempfindlich sind gegenüber Parallelversetzungen von in das Objektiv eintretenden Strahlen, jedoch die Strahlung hinter dem Objektiv völlig von der Winkelausrichtung der einfallenden Strahlung abhängt. Daher sind senkrechte Versetzungen, die manchmal auch als senkrechter Höhenfehler bezeichnet werden, beim Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung nicht erheblich für das Entstehen einer geraden Abtastspur. In entsprechender Weise ist die waagerechte Abtastspur durch die waagerechte Winkelausrichtung des das Objektiv durchsetzenden Strahls bestimmt. Die Strahldarstellungen sind daher so zu versetehen, daß sie die

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tatsächliche körperliche Versetzung des Strahls zeigen. Insbesondere ist daraus ersichtlich, in welcher Weise die zweite Reflexion an dem Oberflächensegment dem sich drehenden Segment folgt und dabei in Kreisrichtung "wandert", jedoch stets innerhalb des zulässigen Abtastscheibenbereichs verbleibt, wobei die Abtastspur selbst nicht beeinträchtigt wird.

Ein Beispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Abtastvorrichtung wies die folgenden Abmessungen und Eigenschaften entsprechend der Darstellung in Fig. 2 auf:

a) Einfallswinkel auf das Oberflächensegment und erste Reflexion in der Symmetrieebene: - 30°

b) Winkel zwischen den beiden Dachspiegeln: 55,8°

c) Scheitelwinkel 180° - 12° = 168°; Segmentneigungswinkel in bezug auf die Drehachse: - 6°

d) Durchmesser der Abtastscheibe: 20,3 cm

e) Gesamtreflexionswinkel durch die Abtasteinheit: 3 60°

f) Drehgeschwindigkeit bis zu 10 000 U/min oder 500 Abtastspuren pro Sekunde.

Bei hohen Drehzahlen ist wünschenswert, die Abtastscheibe 102 mit einer Windhaube zu umgeben, welche diese von allen Seiten mit Ausnahme einer kleinen Öffnung an der Vorderseite umschließt, durch welche der Strahl eintreten und nach der Reflexion wieder austreten kann. Eine derartige Windhaube 170 ist in Fig. 2 dargestellt.

Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung besteht darin, daß die Abtastscheibe ausgehend von einer Kreisscheibe hergestellt werden kann. Es ist offensichtlich, daß eine genau gearbeitete und genau zentrisch mit einer Welle als Drehlagerung verbundene Kreisscheibe praktisch vibrationsfrei umläuft. Eine runde Formgebung ist verhältnismäßig einfach und ermöglicht bei den hier

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ins Auge gefaßten Drehzahlen (von 4000 bis 8000 U/min oder mehr) eine ausreichende mechanische Festigkeit ohne übermäßige Materialbeanspruchung. Die aufgrund der Oberflächenbearbeitung hervorgerufene Unwucht ist demgegenüber verhältnismäßig gering und kann daher weitgehend unberücksichtigt bleiben. Bei sorgfältiger Herstellung der Abtastscheibe und sämtlicher umlaufenden Teile läßt sich eine praktisch symmetrische Massenverteilung um die Drehachse mit hohen dynamischem Auswuchtgrad der umlaufenden Teile erhalten.

Bei seinem Umlauf ergibt sich für jedes Oberflächensegment ein sinusförmiger Verlauf des Einfallswinkels in bezug auf die Hauptachse des vom Umlenkspiegel 80 auf die Abtastscheibe 102 einfallenden Strahls, welcher in der dargestellten Weise auf eine Seite derselben fällt. Von dem Umlauf von 360° wird nur ein Abschnitt von 120° benutzt, welcher eine praktisch lineare Neigungswinkeländerung zum Strahl ergibt, die asymmetrisch ist zum maximalen Neigungswinkel für den Strahl.

Anstelle der angegebenen Drehzahlen von bis zu 7000 U/min ist die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung aufgrund ihrer Konstruktion von Haus aus in der Lage, auch für Drehzahlen von 60 000 Umdrehungen oder höher ausgelegt zu werden. Damit werden Abtastspurfolgezeiten von bis 3000 Spuren (Abtastungen) pro Sekunde erzielt, die seither in Abtastvorrichtungen dieser Art nicht möglich waren. Entsprechend der Erfindung stellt somithin das Abtastelement nicht länger das die Arbeitsweise beschränkende Element bei der Herstellung von Druckplatten und dgl. dar. Die Abtastvorrichtung weist viele für eine hoch leistungsfähige Vorrichtung dieser Art erforderliche Eigenschaften auf. Senkrechtes Flattern (wobble) oder Höhenfehler sind ausgeschaltet. Es läßt sich ohne weiteres leicht ein

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Abtastwirkungsgrad von bis zu 75 % erreichen, der außerdem noch dadurch gesteigert werden kann, daß der Durchmesser der Abtastscheibe innerhalb vertretbarer Grenzen
größer gemacht wird. Die Abtastung erfolgt nur in einer Richtung, wobei die Geschwindigkeitslinearität für eine
Abtastscheibe mit drei Oberflächensegmenten wie bei dem
hier dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb der zulässigen Grenzwerte liegt. Abtastzeiten für herkömmliche Druckplatten mit typischer Rasterabtastung und den hier
beschriebenen Abtastgeschwxndxgkexten liegen pro Bild bei einer Minute und ermöglichen damit die Geschwindigkeitsanfertigung von Druckplatten.

Es dürfte ohne weiteres ersichtlich sein, daß die Herstellungskosten für die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung verhältnismäßig niedrig sind, da die Toleranzen für die
flachen Spiegeloberflächensegmente leicht erzielbar sind und die Toleranzanforderungen an die Halterungen, an die Stellglieder und an die Drehanordnung für die Abtastscheibe verhältnismäßig niedrig sind. Bei einem gute
Ergebnisse liefernden praktischen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung betrugen die Winkeltoleranzen zwischen den Oberflächensegmenten der Abtastscheibe und die der Drehanordnung eine Bogenminute. Die Ebenheit der optischen Flächen der Oberflächensegmente
und der Spiegel kann mit geringem Aufwand wesentlich höher gemacht werden. Da das gesamte System nur mit Reflexion arbeitet, sind Brechzahlunterschiede und dadurch bedingte Fehler sowohl bei Einstrahl- als auch bei Mehrstrahlbetrieb vollkommen ausgeschaltet. Daher ist die Vorrichtung auch für Mehrfrequenzbetrieb geeignet, bei dem Lese- und Schreibstrahlen unterschiedlicher Frequenz in einem einzigen Strahlweg überlagert werden. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß bei dem Verfahren und der Vorrichtung
nach der Erfindung Probleme mit Schlupf, hin und rücklau-

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fender Abtastung, senkrechtem Flattern, Frequenzabhängigkeit usw., die für bekannte Verfahren und Vorrichtungen dieser Art typisch sind, vollkommen ausgeschaltet worden sind.

Das System ist außerdem für Faksimileübertragung oder für andere Abtastzwecke geeignet, wobei die Winkelstellung der Scheibe je nach Bedarf entweder durch die Konstruktion der Kodierscheibe oder durch Maskierung der Abtastscheibe vorgegeben werden kann. Außerdem ist die Abtastvorrichtung hervorragend zur Abtastung flacher Flächen geeignet.

Da der Ausgangsstrahl in senkrechter Richtung genau seine Lage beibehält, können alle bei bekannten Vorrichtungen benötigten Ausgleichvorrichtungen und -anordnungen für den Ausgleich senkrechter Verlagerungen entfallen, wodurch sich eine entsprechende Kostensenkung und Vereinfachung ergeben.

Die Vorrichtung ist vielseitig abwandelbar. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel für einen bestimmten Verwendungszweck ist ein regelmäßiger,dreiecksförmiger, dreiseitiger Pyramidenstumpf mit scheibenförmiger Kreisbasis vorgesehen. Selbstverständlich lassen sich der Scheitelwinkel der Pyramide, die Anzahl der Pyramidenseiten, so z.B. vier, fünf oder mehr Seiten, und viele weitere konstruktive Einzelheiten der Abtastscheibe ohne weiteres abändern, um die Vorrichtung an einen bestimmten Verwendungszweck, eine bestimmte Formatgröße oder eine bestimmte Einrichtung anzupassen. Auf pyramidenförmige Abtastscheiben mit verstellbarem Scheitelwinkel wurde bereits hingewiesen. Die Vorrichtung ist selbstverständlich nicht beschränkt auf die hier beschriebene Arbeitsweise und Anordnung unter Verwendung eines Laserlesestrahls

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und eines Laserschreibstrahls wie bei der Herstellung von Druckplatten oder bei Faksimileübertragung, sondern eignet sich ganz allgemein für Ein-, Zwei- oder Mehrstrahlsysteme wie z.B. in Mehrstation-Faksimileübertragungen.

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Leerseife

Claims

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Patentansprüche :

1. Verfahren zum Abtasten eines Gegenstands mit einem Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl an einer drehbar gelagerten, ebenen, reflektierenden Oberfläche (104, 106, 108) reflektiert und der an dieser Oberfläche reflektierte Laserstrahl in der Weise zu der reflektierenden Oberfläche rückgeführt wird, daß eine Winkelkomponente des Laserstrahls um 180° versetzt ist und der von der reflektierenden Oberfläche ausgehende Laserstrahl diese Winkelkomponente nicht mehr aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene, reflektierende Oberfläche (104, 106, 108) um eine nicht zu ihrer Ebene senkrecht stehende Drehachse (130) gedreht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl an einer weiteren, reflektierenden Oberfläche reflektiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Laserstrahl an der ebenen, reflektierenden Oberfläche (104, 106, 108) reflektiert und auf diese Weise ein zweiter, reflektierter Laserstrahl erhalten wird, welcher unter Versatz einer Winkelkomponente desselben um 180° wieder zur reflektierenden Oberfläche rückgeführt wird, so daß der an dieser erneut reflektierte, ausgangsseitige Laserstrahl diese Winkelkomponente nicht mehr aufweist.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, insbesondere zum Erzeugen eines Bilds des Gegenstands auf einem lichtempfindlichen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserlesestrahl (36) und ein Laserschreibstrahl (34) in der Weise miteinander zusammengefaßt werden, daß sie gleichzeitig auf die drehbar gelagerte, ebene, reflektierende Oberfläche auftreffen und an dieser reflektiert werden, die an dieser Oberfläche reflektierten, zusammengefaßten Strahlen zu der reflektierenden Oberfläche rückgeführt werden, wobei gleichzeitig eine Winkelkomponente der zusammengefaßten Strahlen eliminiert wird, so daß der an dieser reflektierenden Oberfläche erneut reflektierte, zusammengefaßte, ausgangsseitige Laserstrahl (168) diese Winkelkomponente nicht mehr aufweist, dieser erneut reflektierte, ausgangsseitige Laserstrahl in einen reflektierten Lesestrahl und einen reflektierten Schreibstrahl aufgespalten wird, der reflektierte Lesestrahl auf den Gegenstand (26) gerichtet, der reflektierte Schreibstrahl auf das lichtempfindliche Medium ( (22) gerichtet, und der Laserschreibstrahl entsprechend der vermittels des Laserlesestrahls von dem Gegenstand (26) aufgefangenen Strahlung moduliert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Winkelkomponente des Laserstrahls eine senkrechte Komponente eliminiert wird.

7. Abtastvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet durch einen Teil (102) mit einer ebenen, reflektierenden Oberfläche (104), einen Antrieb (138) für diesen Teil (102) mit der ebenen, reflektierenden Oberfläche, an welcher ein Laserstrahl reflektierbar ist, eine Spiegelanordnung (100), die dazu dient, den reflektierten Laserstrahl wieder auf die ebene, reflektierende Oberfläche

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zurückzuführen, so daß dieser an der ebenen, reflektierenden Oberfläche ein zweites Mal reflektierbar, eine Winkelkomponente des Laserstrahls um 180° rückführbar und diese Winkelkomponente aus dem Strahl eliminierbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vermittels des zweiten, auf diese ebene, reflektierende Oberfläche auftreffenden Laserstrahls ein zusätzlicher, reflektierter Strahl erzeugbar ist, die zum Zurücklenken des ersten, reflektierten Laserstrahls dienende Spiegelanordnung (100) gleichfalls zum Zurücklenken des zweiten, reflektierten Laserstrahls auf die ebene, reflektierende Oberfläche dient, so daß er an dieser ebenen Oberfläche ein zweites Mal reflektierbar ist und einen zweiten, reflektierten Strahl ergibt, in welchem die gleiche Winkelkomponente wie im ersten Laserstrahl eliminierbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche um eine Drehachse (130) drehbar gelagert ist und einen nicht senkrecht zur Drehachse stehenden Neigungswinkel aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere, ebene, reflektierende und nicht senkrecht zur Drehachse (130) stehende Oberfläche (106, 108) vorgesehen ist.

. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 9, insbesondere zum Erzeugen des Bilds eines Gegenstands auf einem lichtempfindlichen Medium, gekennzeichnet durch einen zur Abgabe eines Laserlesestrahls (36) dienenden Laser (58), einen zur Abgabe eines Laserschreibstrahls (34) dienenden Laser (68), einen zum Zusammenfassen von Laserlese-

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und Laserschrexbstrahl dienenden Strahlkombinator (67) , einen drehbaren Teil (102) mit einer ebenen, reflektierenden Oberfläche (104, 106, 108), auf welche die zusammengefaßten Strahlen gleichzeitig auftreffen, und an der sie reflektiert werden, eine Spiegelanordnung (100) zum Zurückführen der reflektierten, zusammengefaßten Strahlen zu der reflektierenden Oberfläche durch Umkehr einer Winkelkomponente derselben um 180°, so daß der erneut an der reflektierenden Oberfläche reflektierte, zusammengefaßte Strahl die Winkelkomponente nicht mehr aufweist, Einrichtungen (84, 86, 90) zum Aufspalten der reflektierten, zusammengefaßten Strahlen in einen reflektierten Lesestrahl (36) und einen reflektierten Schreibstrahl (34), vermittels welcher der reflektierte Lesestrahl auf den Gegenstand (26), und der reflektierte Schreibstrahl auf das Medium (22) richtbar ist, und durch zum Auffangen der vermittels des reflektierten Lesestrahls von dem Gegenstand erhaltenen Strahlung und zum Modulieren des Schreibstrahls entsprechend dieser Information dienende Einrichtungen (94, 96).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Antrieb (138) , durch den der drehbare Teil (102) um eine nicht senkrecht zu der ebenen, reflektierenden Oberfläche (104, 106, 108) stehende Drehachse (130) in Drehung versetzbar ist.

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