DE2828286A1

DE2828286A1 - Vorrichtung zur optischen abtastung

Info

Publication number: DE2828286A1
Application number: DE19782828286
Authority: DE
Inventors: Melbourne Edward Rabedeau
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-06-30
Filing date: 1978-06-28
Publication date: 1979-01-18
Also published as: GB1594784A; US4123135A; FR2396321B1; FR2396321A1; CA1087006A; BR7804203A; JPS5413355A

Description

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Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

pr/se
Vorrichtung zur optischen Abtastung

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Auf vielen Gebieten der Technik, insbesondere auf dem Gebiete der Datenverarbeitung und der Datenerfassung, werden sogenannte Lichtpunktabtaster benötigt, mit deren Hilfe man einen vorgegebenen Bereich eines Aufzeichnungsträgers, beispielsweise eines Schecks oder eines Preisangaben enthaltenden Aufklebers einer Warenpackung punkt- und zeilenweise abtasten kann. Das während der Abtastung remittierte Licht wird einem lichtempfindlichen Element zugeführt, an dessen Ausgang der abgetasteten Information entsprechende elektrische Signale auftreten. Die oben genannten Lichtabtaster können auch im Zusammenhang mit einem Lichtmodulator zur Aufzeichnung von Informationen, beispielsweise auf einer mit einer lichtempfindlichen Schicht überzogenen rotierenden Trommel oder einem anderen lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger dienen. Als besonders vorteilhaft haben sich für die meisten Anwendungen Vorrichtungen erwiesen, bei denen der abtastende Lichtstrahl durch ein mit großer !Geschwindigkeit rotierendes Spiegelrad periodisch abgelenkt jwird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Abtastungen mit sehr dicht nebeneinanderliegenden Abtastspuren, was immer bei Ab- ' tastern mit hohem Auflösungsvermögen der Fall sein wird, die ' !Anforderungen an die Genauigkeit der Winkel, die die einzelnen 'Spiegelflächen miteinander und mit der Rotationsachse einjschließen, sowie die Anforderungen an die Genauigkeit der jLagerung und die Schwingungsfreiheit des Spiegelrades, wenn überhaupt, so nur mit einem unverhältnismäßig hohem konstruktion SA 976 O49

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- 4 Aufwand erfüllt werden konnten.

In der US-Patentschrift 3 750 189 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der relativ große Toleranzen der Neigungswinkel der einzelnen Spiegel oder Facetten des Spiegelrades zulässig sind. In diesem Patent wird die Verwendung einer Zylinderlinse beschrieben, mit der ein Lichtstrahl in einer Azimuth-Richtung auf der Facette eines rotierenden Spiegelrades als Linie abgebildet wird. Dabei ist eine zweite Zylinder- und/oder Toroidlinse vorgesehen, die den am Spiegelrad reflektierten Strahl wieder kollimiert. Eine sphärische Linse fokussiert den Strahl in beiden Azimuth-Richtungen als kleinen Punkt auf der Abtastspur. Nach dem durch die oben genannte Patentschrift charakterisierten Stand der Technik wurde angenommen, da/3 bei Ablenkwinkeln einer bestimmten Mindestgröße Toroidlinsen zur Wiederkollimierung des am Spiegelrad reflektierten Strahls erforderlich sind, um den Strahl im Bereich des ganzen Ablenkwinkels im kollimierten Zustand zu halten. Toroidlinsen sind aber, insbesondere bei Vorrichtungen mit hohem Auflösungsvermögen, sehr teuer und nur schwer mit der erforderlichen Qualität herstellbar.

In der US-Patentschrift 3 946 150 wird eine Vorrichtung mit einem divergenten Strahl beschrieben, der einen Bereich beleuchtet, der wesentlich größer als eine Facette des Spiegelrades ist. Eine in unmittelbarer Nachbarschaft der Bildebene angeordnete Zylinderlinse fokussiert den Strahl in dieser Ebene. Ein Nachteil dieser Vorrichtung besteht aber vor allem darin, daß die Zylinderlinse fast so lang wie die Abtastspur sein muß.

!Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Abtastvorrichtung anzugeben, bei der relativ einfache Linsensysteme verwendet werden können und bei der die Anforderungen an die Toleranzen der Winkel, insbesondere der Winkel zwischen den Facetten des Spiegelrades und der Rotationsachse stark herab-SA 976 049

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gesetzt sind. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

Da gemäß der Erfindung ein Linsensystem die rotierende Spiegelfläche in der Abtastebene in einer zur Ablenkebene senkrechten Azimuth-Richtung abbildet, während die kollimierten Strahlen der Lichtquelle in der Ablenkebene des Lichtstrahls auf ein und derselben Abtastspur fokussiert werden, werden die oben angegebenen und weiteren Nachteile der zum Stande der Technik gehörenden Abtastvorrxchtungen mit relativ einfachen Mitteln vermieden. Um den erforderlichen Unterschied der Linsenwirkung in zwei zueinander senkrechten Azimuth-Richtungen zu erhalten und die Brennfläche des fokussierten Abtaststrahls einzuebenen, ,wird ein zylindrisches optisches System mit einer zur Ablenkebene senkrechten Achse verwendet und weitere positive sphärische oder zylindrische Elemente vorgesehen.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:
Fig. 1

eine optische Abtastvorrichtung, bei der die Erfindung mit besonderem Vorteil verwendet werden kann,

die Darstellung einer optischen Abtastvorrichtung zur Veranschaulichung der gemäß der Erfindung zu lösenden Störungen,

Fig. 3

ein Ausführungsbeispxel gemäß der Erfindung,

Fign. 4 und 5 Schnittansichten von gemäß der Erfindung zu verwendenden Linsensystemen„

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In Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel mit einem rotierenden Spiegel dargestellt. Die als Helium-Neonlaser ausgebildete Lichtquelle 10 erzeugt einen Lichtstrahl zur Belichtung einer auf einer Trommel 14 aufgebrachten photoleitenden Schicht 12. Der Querschnitt des die Lichtquelle 10 verlassenden Strahles wird in einer Vorrichtung 16 verengt, damit die Ansprechzeiten im akustooptischen Modulator 18 niedrig gehalten werden können. In diesem Modulator wird der Lichtstrahl gemäß der auf der photoleitfähigen Schicht aufzuzeichnenden Information moduliert. Anschließend ist eine Vorrichtung 20 zur Aufweitung des Lichtstrahls vorgesehen, in der der Strahl so weit aufgeweitet wird, daß ein in der Nähe des Auflösungsvermögens liegender Lichtpunkt auf der photoleitfähigen Schicht 12 erzeugt werden kann. Anschließend durchsetzt der Strahl eine Zylinderlinse 22 und wird auf einer Facette der als Spiegelrad ausgebildeten Ablenkvorrichtung 30 als schmale, parallel zur Rotationsachse der Ablenkvorrichtung 30 liegende Linie abgebildet. Die als rotierendes Spiegelrad ausgebildete Ablenkvorrichtung 30 erzeugt die erforderliche eindimensionelle Ablenkung entlang einer über die Trommel 14 verlaufenden Ablenkspur 40. Im weiteren Verlauf des Strahles ist ein Linsensystem 50 zur Fokussierung des reflektierten Strahls auf der photohalbleitenden Schicht 12 vorgesehen. Dieses Linsensystem dient vor allem dazu, um Lagefehler der Abtastspur auf der photoleitenden Schicht 12 zu verhindern, die aufgrund von Kippungen der Spiegelfacetten und/oder Unregelmäßigkeiten der Spiegelraddrehung entstehen.

Die Darstellung nach Fig. 2 dient zur Veranschaulichung der durch die vorliegende Erfindung zu vermeidenden Fehler. Schließt ^;eine der Facetten 31 der als Spiegelrad ausgebildeten Ablenkvorrichtung 30 mit der Rotationsachse des Spiegelrades nicht den gleichen Winkel ein wie die anderen Facetten, so wird bei der mit gestrichelten Linien 31' angezeigten Lage dieser Facet* ]te die durch diese Facette erzeugte Abtastspur bei aufeinander* ι folgenden Abtastungen gegenüber den durch die anderen Facetten

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erzeugten Abtastspuren seitlich versetzt sein. Bei manchen Spiegelabtastvorrichtungen ergibt eine Änderung des Winkels der Facette mit der Rotationsachse von 6 Sekunden eine außerordentlich große Seitenversetzung, sofern weder die im oben genannten US-Patent 3 750 189 beschriebene Anordnung noch die vorliegende Erfindung verwendet wird.

Bei der im folgenden näher zu beschreibenden optischen Abtastvorrichtung wird der Strahl in oder in der Nähe der Ebene einer Spiegelfacette in einer normal zur Ablenkebene des Strahls liegenden Azimuth-Richtung mit Hilfe einer Zylinderlinse abgebildet. Durch ein im Verlauf des an einer Facette des Spiegelrades reflektierten Lichtstrahls angeordnetes optischen System wird der von einer Facette divergierende Strahl als kleiner Punkt in der Abtastebene abgebildet, während die kollimierten Strahlen in der Abtastebene als kleiner Fleck auf der gleichen Abtastspur abgebildet werden. Der Aufbau ergibt sich aus der Darstellung nach Fig. 3. Im Falle des oben angeführten US-Patents 3 750 189 werden Toroid- und sphärische Linsen zu diesem Zweck verwendet. Bei einer Ausbildung ,des in den Fign. 4 und 5 dargestellten optischen Systems 50 werden die gleichen Ergebnisse mit geringerem Aufwand und geringeren Kosten erreicht. Es hat sich gezeigt, daß es nicht jerf order lieh ist, den am Lichtablenker reflektierten Strahl 'zunächst wieder zu kollimieren, wie das in der oben genannten US-Patentschrift beschrieben wird. Durch Verzicht auf die

jdurch die Anforderung an erneute Kollimierung des Lichtstrahls bedingte Einschränkung ist es gemäß der Erfindung {möglich, Linsensysteme zu entwerfen, die negative zylindrische : Linsen in Kombination mit sphärischen Linsen enthalten, durch ■ die das Feld des Linsensystems eingeebnet wird und die erfor-Iderliehen Unterschiede der Brechkraft in Richtung der beiden Azimuthe erzeugt werden. Die Achse der negativen Zylinderlinse jliegt senkrecht zur Ablenkebene des Strahls, während die Achse !der positiven Zylinderlinse gemäß der oben genannten US-Patent-i

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- 8 schrift parallel zur Ablenkebene liegt.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt eine beispielsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle 10* einen Lichtstrahl, der auf eine Ablenkvorrichtung 30' gerichtet wird, von wo er durch ein Linsensystem 50' in eine Ebene abgelenkt wird, die senkrecht zur Rotationsachse der Ablenkvorrichtung liegt. Diese Ablenkebene enthält eine Abtastlinie oder Abtastspur 40'. Zwischen der Lichtquelle 10' und der Ablenkvorrichtung 30' durchsetzt der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Lichtstrahl eine Zylinderlinse 22', deren Achse parallel zur Ablenkebene liegt. Durch diese Linse werden die das Strahlenbündel bildenden Strahlen, die in einer zur Ablenkebene parallelen Ebene liegen ohne Brechung und die in einer senkrecht zur Abtastebene angeordneten Ebene liegenden Strahlen im wesentlichen auf die Facetten der als Spiegelrad ausgebildeten Ablenkvorrichtung 30' fokussiert. Mit anderen Worten, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Strahl wird in einen "meiseiförmigen" Strahl umgewandelt. Eine umgekehrte Umwandlung findet zwischen den Facetten und dem optischen System 50' statt. Wie im folgenden noch näher erläutert, ermöglicht die Erfindung die Fokussierung des abgelenkten Strahls in eine in der Nähe der Ebene der Spiegelfacetten liegenden Linie (im Gegensatz zum statischen Zustand). Da durch die oben genannte Maßnahme die Anforderung, den Strahl genau in der Ebene der Spiegelfacetten zu fokussieren, wegfällt, ermöglicht die Erfindung eine Herabsetzung der Herstellungskosten.

Die auf eine Facette 31' projizierte Lichtlinie wird durch die Drehung der als Spiegelrad ausgebildeten Ablenkvorrichtung Ϊ30¹ abgelenkt, durchsetzt das optische System 50' und fällt zum mindestens im Bereich der Ablenkebene und einer senkrecht bur optischen Achse liegenden Ebene 40 auf eine elektrophoto-

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graphische Trommel. Die Anordnung ist so ausgebildet, daß die Lichtstrahlen entlang der Abtastspur zu einem Lichtpunkt fokussiert werden, auch wenn einzelne Spiegelfacetten 31' aufgrund von Fehlern bei der Herstellung des Spiegelrades oder aufgrund von Schräglauf oder von Schwingungen des Spiegelrades aus der Sollage gekippt sind.

In Fig. 4 wird ein Ausführungsbeispiel eines optischen Systems 50 dargestellt. Fig. 4(a) stellt einen Querschnitt des Systems in Richtung der Ablenkebene und Fig. 4(b) einen Schnitt durch das System senkrecht zur Ablenkebene dar. Das wiedergegebene optische System besteht aus einer negativen plan-konkaven Zylinderlinse 62, deren Achse in einer zur Ablenkebene senkrechten Ebene liegt, aus einem sphärischen Linsenelement 64 und einer positiven Zylinderlinse 66, deren Achse parallel zur Ablenkebene liegt. In diesem Ausführungsbeispiel wird das für den jeweils vorliegenden Verwendungszweck erforderliche Verhältnis der Brechkräfte parallel zur Ablenkebene und senkrecht zur Ablenkebene durch geeignete Wahl der Brechkräfte der negativen und der positiven Zylinderlinsen erreicht. Die Feldkrümmung des Systems wird durch die Einstellung der Brechkraft der negativen Zylinderlinse korrigiert. Jedes der oben beschriebenen Elemente kann aus zwei oder mehreren Einzelelementen bestehen, sofern dies zur ,Beherrschung optischer Aberrationen erforderlich ist. Das beschriebene optische System wurde für eine Verwendung im Zusammenhang mit einer als Laser ausgebildeten Lichtquelle ,entworfen, so daß keine Maßnahmen zur Korrektur der chromajtischen Aberration erforderlich sind. Durch Verwendung von !zylindrischen Linsen mit einer ebenen Fläche werden die Schwierigkeiten und somit die Kosten der Herstellung dieser iSysteme herabgesetzt.

,In Fig. 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines opti- !schen Systems 50 wiedergegeben. Fig. 5(a) stellt einen Schnitt |durch das optische System in Richtung der Ablenkebene, während SA 976 049

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Fig. 5(b) einen Schnitt durch das optische System senkrecht zur Ablenkebene darstellt. Auch in diesem Fall wird ein plankonkaves zylindrisches Linsenelement 52, dessen Achse senkrecht zur Abtastebene liegt, und ein sphärisches Linsenelement 74 verwendet. Zusätzlich wird jedoch anstelle des in Fig. 4 dargestellten positiven zylindrischen Linsenelements ein sphärisches Linsenelement 76 verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das erforderliche Verhältnis der Brechkräfte in Richtung der beiden Azimuthe durch Einstellung der Brechkraft des negativen Zylinderelements erreicht, während die Feldkrümmung durch geeignete Wahl und axiale Anordnung der Linsenelemente bewirkt wird. Es ist aber auch möglich, die Reihenfolge der einzelnen Zylinderelemente zu verändern.So muß die negative Zylinderlinse nicht an der der Ablenkvorrichtung zugewandten Seite des Systems liegen und die Krümmung und die Abstände der einzelnen Linsen können von den dargestellten Größen abweichen.

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Leerseite

Claims

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-χ-

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur optischen Abtastung eines Objekts entlang einer oder mehrerer Linien mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls, einer Vorrichtung zur Ablenkung des Lichtstrahls, einem zwischen der Lichtquelle und der Ablenkvorrichtung angeordneten optischen Element zur Fokussierung des Lichtes in Form einer im wesentlichen auf der Ablenkvorrichtung liegenden Linie mit einer senkrecht zur Ablenkebene liegenden Azimuth-Richtung und einer im Wege des abgelenkten Lichtstrahls angeordneten Vorrichtung, auf die der Lichtstrahl abgebildet wird, gekennzeichnet durch ein zwischen der Ablenkvorrichtung (30, 30") und der die Abbildung des abgelenkten Lichtstrahls aufnehmenden Vorrichtung (12) angeordnetes nichtkollimierendes optisches System (50, 50'), das aus mindestens einem negativen zylindrischen Element (62) besteht, dessen Achse senkrecht zur Ablenkrichtung des Strahles liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (30, 30') zur Ablenkung des Lichtstrahls aus einer oder mehreren periodisch bewegten oder rotierenden spiegelnden Fläche(n) besteht.

,3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, j daß die Ablenkvorrichtung (30, 30') aus einem Spiegel-

rad besteht.

k. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtkolli-

• mierende optische System (50, 50') zusätzlich eine

ι sphärische Linse (64) und eine weitere Linse (66) entiiällt}.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte weitere Linse eine positive Zylinderlinse (66) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte weitere Linse eine sphärische Linse (76) ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtkollimierende optische System eine positive Zylinderlinse (66) enthält, deren Achse um 90° in bezug auf die Achse der negativen Zylinderlinse (62) gedreht ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtkollimierende optische System eine plankonvexe Linse (66) enthält.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10, 10¹) als Laser ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abbildung des Lichtstrahls aufnehmende Vorrichtung aus einer drehbaren photoempfindlichen Trommel (14) besteht.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Trommel mit einer photoleitenden Schicht (1,2) überzogen ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen zwischen der Lichtquelle (10, 10') und dem ersten optischen Element

ι (22, 22') angeordneten Lichtmodulator (18).

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