DE3707023A1 - Vorrichtung zum ablenken eines strahlenbuendels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken eines Strahlenbündels in eine Ebene mittels eines um eine Achse drehbaren Umlenkprismas konstanter Ablenkung und einem dem Umlenkprisma zugeordneten Abbildungs­ system, insbesondere einem F-Theta-Objektiv.

Derartige Vorrichtungen werden in Scanner-Systemen ver­ wendet. In bekannten Scanner-Systemen wird ein von einer Lichtquelle ausgehendes Strahlenbündel durch ein rotie­ rendes Umlenkelement abgelenkt und mittels eines Ab­ bildungssystems als Lichtpunkt auf einer abzutastenden Oberfläche abgebildet. Durch die rotierenden Umlenk­ elemente wird das Strahlenbündel z.B. in eine Ebene ab­ gelenkt. Die Abtastung der Oberfläche erfolgt zeilen­ weise.

In derartigen optischen Abtastsystemen ist es erforder­ lich, daß die Abtastzeilen geradlinig sind, wobei auf­ einander folgende Abtastzeilen parallel zueinander an­ geordnet sind und der Zeilenabstand konstant ist. In der Praxis ergeben sich stets Abweichungen von diesem idealen Bewegungsmuster des Lichtpunktes. So kann z.B. ein in ungenau gefertigten Lagern gelagertes Umlenk­ element in eine Flatter- und Vibrationsbewegung (Wobbeln) versetzt werden. Derartige Effekte beeinträchtigen ein genaues Arbeiten des Scanner-Systems.

Es ist bekannt, den störenden Einfluß des Wobbelns mit Hilfe eines Pentaprismas, das um eine Achse rotiert, die eine der senkrecht zueinander stehenden Seitenflächen durchsetzt, auszugleichen. Durch das Penta-Prisma wird eine konstante, von Verkippungen der Prismendrehachse unabhängige Ablenkung eines Strahlenbündels erzielt. Die Verwendung eines Penta-Prismas innerhalb eines Scanner-Systems ist beispielsweise in der US-PS 44 75 787 geschildert.

Wird ein derartiges Penta-Prisma auf kleinste Dimensionen ausgelegt, so daß die Eingangsschnittweite des nach­ folgenden Abbildungssystems möglichst klein wird, so sind die Gleichlaufeigenschaften des in Rotation ver­ setzten Penta-Prismas unbefriedigend. Dies ist von be­ sonderem Nachteil, da ein Penta-Prisma mit relativ großen Drehzahlen rotiert. Somit ergibt sich die Not­ wendigkeit, durch aufwendiges Auswuchten des Antriebs­ motors und/oder durch relativ niedrige Drehzahlen Be­ schädigungen des Umlenkelementes durch hohe Zentrifugal­ kräfte in Grenzen zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu fertigendes Umlenkprisma der eingangs geschilderten Art mit guten Gleichlaufeigenschaften anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Umlenkprisma ein Viereckprisma nach Wollaston ist und die Drehachse in etwa senkrecht zu einer der beiden Prismenflächen, die einen rechten Winkel miteinander bilden, orientiert ist.

Es hat sich gezeigt, daß mit einem an sich bekannten Viereckprisma nach Wollaston innerhalb einer gattungs­ gemäßen Vorrichtung eine überraschend günstige Gestaltung des Umlenkelementes hinsichtlich des Abstandes zwischen Drehachse und Schwerpunkt des Prismas, des Prismenge­ wichtes und des die Eingangschnittweite des nachgeordneten Abbildungssystems bestimmenden Abstandes zwischen der Drehachse und dem von dieser am weitesten entfernten Prismenteil erreicht werden kann. Im Vergleich zu einem auf kleinste Dimensionen ausgelegten Penta-Prisma besitzt ein Viereckprisma nach Wollaston ein geringeres Gewicht. Die Eingangsschnittweite des nachfolgenden Abbildungs­ systems gleicht maximal der für ein Penta-Prisma erforder­ lichen Eingangsschnittweite. Von besonderem Vorteil ist jedoch, daß das Viereckprisma nach Wollaston so posi­ tioniert werden kann, daß der mechanische Schwerpunkt des Viereckprismas dem Schwerpunkt des einfallenden, parallelen Lichtes sehr nahe kommt. Da sich das Prisma um den Schwer­ punkt des einfallenden, parallelen Lichtes dreht, gibt es im Vergleich zum Penta-Prisma fast keine Unwucht mehr. Besonders bei hoher Drehzahl werden damit die Gleichlauf­ eigenschaften erheblich verbessert.

Ein Viereckprisma nach Wollaston besitzt zwei verspiegelte und zwei unverspiegelte Flächen. Die aneinander angren­ zenden unverspiegelten Flächen schließen einen Winkel von 90° miteinander ein.

Grundsätzlich wäre eine Strahlenführung möglich, bei der ein Strahlenbündel, das parallel zur Drehachse orientiert ist, durch die erste unverspiegelte Fläche, die ja in etwa senkrecht zur Drehachse liegt, in das Viereckprisma eintritt, anschließend an der an die unverspiegelte Fläche angrenzenden verspiegelten Fläche und dann an der weiteren verspiegelten Fläche reflektiert wird, um schließlich über die zweite unverspiegelte Fläche aus dem Viereckprisma aus­ zutreten.

Eine optimal kleine Eingangsschnittweite des Abbildungs­ systems läßt sich aber mit der im Patentanspruch 2 ange­ gebenen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzielen. Um auch bei einem Verkippen der Prismendrehachse eine korrekte und vollständige Umlenkung eines Strahlenbündels beibehalten zu können, wird die Eingangsfläche des Vier­ eckprismas größer als die Strahlenbündelquerschnittsfläche gewählt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung besitzen die beiden senkrecht zueinander orientierten Prismenflächen in der zu deren Schnittgeraden senkrechten Richtung die im Patentanspruch 3 beanspruchten Breite.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 4 und 5 angegeben.

Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen ein Aus­ führungsbeispiel erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein herkömmliches Penta-Prisma,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Viereckprisma nach Wollaston.

In beiden Figuren sind Umlenkprismen dargestellt, die das eintretende Strahlenbündel um 90° ablenken sollen. In den beiden Figuren sind weder die Abbildungssysteme noch die Halterungen und Lager der jeweiligen Prismen dargestellt. Das einem Prisma zugeordnete Abbildungssystem kann im Strahlengang vor oder nach dem Prisma angeordnet sein.

In Fig. 1 ist ein Penta-Prisma mit unverspiegelten Flächen 1, 2, verspiegelten Flächen 3, 4 und einer weiteren Fläche 5 dargestellt. Ein Strahlenbündel, beispielsweise ein Laser- Strahlenbündel, des Durchmessers d tritt durch die unver­ spiegelte Fläche 1 in das Penta-Prisma ein. Nach Re­ flexionen an den verspiegelten Flächen 3, 4 tritt das Strahlenbündel durch die unverspiegelte Fläche 2 aus dem Penta-Prisma aus. Mit Bezugszeichen 6, 7, 8 sind Strah­ len dieses Strahlenbündels bezeichnet. Das Penta-Prisma rotiert um eine Achse, deren Lage mit der Lage des senk­ recht zur Fläche 1 orientierten Strahles 7 übereinstimmt. S charakterisiert die Lage des Schwerpunktes, dessen Ab­ stand zur Fläche 2 mit s _p bezeichnet ist. Der Abstand zwischen Fläche 2 und der Schnittkante der Flächen 4 und 5 ist mit t bezeichnet.

In Fig. 2 ist ein Viereckprisma nach Wollaston dargestellt. Es besitzt zwei unverspiegelte Flächen 9, 10, die einen rechten Winkel bilden, sowie zwei verspiegelte Flächen 11, 12. Die Flächen 10, 11 und die Flächen 9, 12 schließen einen Winkel von 67,5° ein.

Ein Strahlenbündel, von dem lediglich Strahlen 13, 14, 15 dargestellt sind, tritt senkrecht durch Fläche 9 in das Viereckprisma ein, wird an der verspiegelten Fläche 11 reflektiert und nachfolgend an den Flächen 10, 9 total reflektiert. Nach Reflexion an der Fläche 12 tritt des Strahlenbündel aus Fläche 10 aus. Das austretende Strah­ lenbündel ist gegenüber dem eintretenden Strahlenbündel um 90° geknickt. Die Strahlenbündelachse 14 ist auch Drehachse des Viereckprismas. Die Drehachse ist in etwa senkrecht zur Prismenfläche 9 orientiert, d.h. die Dreh­ achse schließt mit der Vertikalen auf die Prismenfläche 9 maximal einen Winkel von ca. 4° - abhängig vom Brechwert des Glases - ein.

In Fig. 2 ist der Idealfall einer nicht verkippten Drehachse dargestellt. Die einfallenden Lichtstrahlen sind untereinander sowie zur Fläche 10 parallel. Mit a ist der Abstand zwischen Fläche 10 und der Schnittkante zwischen den Flächen 9 und 12 bezeichnet. Im Ausfüh­ rungsbeispiel hat das Strahlenbündel gegenüber Fläche 10 einen Abstand x von z.B. 0,15 d. Der Abstand x ist er­ forderlich, damit auch bei einem Verkippen der Prismen­ drehachse eine korrekte und vollständige Umlenkung eines Strahlenbündels beibehalten wird.

Die vom Viereckprisma bewirkte Strahlablenkung ist gegenüber Verkippungen der Prismendrehachse unempfind­ lich. Auch bei Verkippungen bleibt der Winkel zwischen dem austretenden Strahlenbündel und dem eintretenden Strahlenbündel konstant, wobei das austretende Strahlen­ bündel lediglich parallel zu sich verschoben ist. Durch die nachfolgende Abbildungsoptik, im Ausführungsbeispiel eine F-Theta-Optik eines Scanner-Systems, werden die zueinander parallelen Strahlenbündel fokussiert.

Im Vergleich zum Penta-Prisma liegt der Schwerpunkt des Viereckprismas nach Wollaston (Abstand s _w von Fläche 10) erheblich näher an der Prismendrehachse als der Schwer­ punkt des Penta-Prismas an dessen Drehachse. Das Vier­ eckprismas besitzt somit fast keine Unwucht mehr. Be­ sonders bei hoher Drehzahl werden damit die Gleichlauf­ eigenschaften im Vergleich zum Penta-Prisma erheblich verbessert. Die Abstände t und a stimmen überein, d.h. in beiden Fällen ergibt sich für das Abbildungssystem die gleiche Eingangsschnittweite.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Ablenken eines Strahlenbündels in eine Ebene mittels eines um eine Achse drehbaren Umlenk­ prismas konstanter Ablenkung und einem dem Umlenkprisma zugeordneten Abbildungssystem, insbesondere einem F-Theta-Objektiv, dadurch gekennzeichnet, daß das Um­ lenkprisma ein Viereckprisma nach Wollaston ist und die Drehachse in etwa senkrecht zu einer der beiden Prismenflächen, die einen rechten Winkel miteinander bilden, orientiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Viereckprisma und zwei einen rechten Winkel miteinander einschließen­ den unverspiegelten Flächen und zwei verspiegelten Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß das Viereckprisma eine Brechzahl besitzt, bei der ein in etwa parallel zur Drehachse orientiertes, durch die erste unver­ spiegelte Fläche (9) in das Viereckprisma eingetre­ tenes und an der der Eintrittsfläche (9) gegenüber­ liegenden ersten verspiegelten Fläche (11) reflek­ tiertes Strahlenbündel (13, 14, 15) zunächst an der zwei­ ten unverspiegelten Fläche (10) und anschließend an der ersten unverspiegelten Fläche (9) total reflektiert wird, ehe es nach Reflexion an der zweiten verspiegelten Fläche (12) durch die zweite unverspiegelte Fläche (10) aus dem Umlenkprisma austritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden senkrecht zueinander orientier­ ten Prismenflächen (9, 10) in der zu deren Schnittgeraden senkrechten Richtung wenigstens eine Breite a = (1 + 2x) · d · besitzen, mitd = Durchmesser des Strahlenbündels und
0,05 × 0,3 insbesondere
0,1 × 0,2.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenbündelachse auch Drehachse des Viereckprismas ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Viereckprisma für eine Um­ lenkung eines Strahlenbündels um einen Winkel von 90° ausgelegt ist.