DE3833728A1 - Optische abtastvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung zum zeilenweisen Abtasten einer bewegten Materialbahn quer zu deren Vorschubsrichtung mit einer Laserlichtquelle, deren Ausgangslichtstrahl von einer Strahlaufweiteoptik über eine periodisch arbeitende, im Brennpunkt einer Abtastoptik ange­ ordnete Strahlablenkvorrichtung auf die Abtastoptik gelenkt wird, die einen Abtastlichtfleck in einer Abtastebene er­ zeugt.

Mit derartigen bekannten optischen Abtastvorrichtungen werden sich bewegende Materialbahnen quer zu ihrer Vorschubs­ richtung abgetastet, um sie auf Materialfehler hin zu unter­ suchen. Dabei wird der von einer Laserlichtquelle erzeugte und aufgeweitete Lichtstrahl von einer Lichtablenkvorrich­ tung, z.B. einem Spiegelrad oder einem Schwingspiegel, perio­ disch abgelenkt und von einer Abtastoptik so konzentriert, daß in einer Abtastebene, in der sich die zu überwachende Ma­ terialbahn befindet, ein Abtastlichtfleck entsteht, der quer zur Vorschubsrichtung der Materialbahn über diese verschoben wird und sie so abtastet.

Während die Auflösung der Abtastvorrichtung in Vorschubsrich­ tung der Materialbahn im wesentlichen von der Vorschubsge­ schwindigkeit und der Abtastgeschwindigkeit, also der Ge­ schwindigkeit mit der sich der Abtastlichtfleck quer über die Materialbahn bewegt, abhängt, wird das Auflösungsvermö­ gen quer zur Materialbahn, also in Abtastrichtung, durch die Größe des Abtastlichtflecks bestimmt.

Die Feinheit der gerade noch erkennbaren Fehler steht im um­ gekehrten Verhältnis zur Abtastfrequenz, je größer also die Abtastfrequenz ist, umso kleinere Fehler auf der Material­ bahn können erkannt werden. Weiter hängt die Größe der er­ kennbaren Fehler von der Feinheit des Abtastlichtflecks und damit von der geometrischen Korrektion der Abtastoptik sowie von deren Brennweite ab.

Je größer die Anforderungen an das Auflösungsvermögen sind, umso wichtiger ist auch eine möglichst geringe Wellenabbera­ tion, damit ein Abtastlichtfleck mit hohem Kontrast gebildet wird, dessen Feinheit praktisch nur durch Beugung begrenzt ist.

Bekannte optische Abtastvorrichtungen mit großer Abtastlän­ ge, die im Bereich von 200 mm bis ca. 2000 mm liegen kann, sind entweder nicht telezentrisch, oder weisen dieses wichti­ ge Merkmal nicht auf, sondern enthalten Zylinderlinsen oder Linsen mit torischen Flächen.

So ist z.B. aus der EP-OS 00 18 787 eine optische Abtastvor­ richtung zum Belichten einer photoempfindlichen Schicht be­ kannt, bei der ein sich drehendes Spiegelrad mit einem Paral­ lellichtbündel beaufschlagt wird. Zwischen dem Spiegelrad und der abzutastenden Fläche ist eine Abtastoptik ange­ ordnet, die aus einem in Lichtrichtung vorderen, negativen Linsenelement und einem hinteren positiven Linsenelement auf­ gebaut ist.

Weiter ist aus der EP-OS 02 42 120 eine optische Abtastvor­ richtung mit einer Lichtquelle bekannt, die über eine Zylin­ derlinsenanordnung ein Spiegelrad beaufschlagt, das den Lichtstrahl periodisch ablenkt. Dabei ist in Lichtrichtung vor dem Spiegelrad eine Zylinderlinsenanordnung vorgesehen, die auf der jeweils wirksamen Spiegelradfacette eine Brennli­ nie erzeugt, die parallel zur Abtastrichtung liegt. Hinter dem Spiegelrad, also zwischen dem Spiegelrad und einer abzu­ tastenden Fläche, ist eine Sammeloptik vorgesehen, die zwei sphärische und eine torische Linse umfaßt.

Derartige Zylinderflächen bzw. torische Flächen erzeugen jedoch Wellenfronten, die gegenüber der idealen Form - also im telezentrischen Bereich ebene Wellen und im divergenten oder konvergenten Bereich Kugelwellen - ganz erheblich von der Rotationssymmetrie abweichen und darüber hinaus noch durch zusätzliche sphärische Abberation irreparabel defor­ miert werden. Dabei macht es sich noch besonders störend be­ merkbar, daß derartige Flächen nicht mit der nötigen Genauig­ keit hergestellt werden können, so daß noch zusätzliche, auf Fertigungstoleranzen zurückgehende Deformationen der Wellen­ fronten auftreten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine optische Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art mit großer Ab­ tastlänge zu schaffen, die einen beugungsbegrenzten Abtast­ lichtfleck über die gesamte Abtastlänge erzeugt, so daß ein Höchstmaß an Auflösung auch am Anfang und am Ende der Abtast­ strecke erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abtastoptik ein in Lichtrichtung vorne angeordnetes Kor­ rektionssystem mit ausschließlich sphärischen Flächen und ein in Lichtrichtung dahinter angeordnetes als Feldlinse wir­ kendes Abtastglied mit ausschließlich rotationssymmetrischen Flächen aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Kor­ rektionssystems in Lichtrichtung vor dem Abtastglied, das wie eine Feldlinse wirkt und das den Abtastlichtstrahl in die Abtastebene fokussiert, lassen sich die vom Abtastglied erzeugten Abbildungsfehler kompensieren.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Abtastglied ein Hohlspiegel vorgesehen, wobei dieser eine sphärische Fläche aufweist. Hierdurch läßt sich ein einfach und genau zu fertigendes, farbfehlerfreies Abtast­ glied schaffen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vor­ gesehen, daß der Hohlspiegel eine asphärische Fläche auf­ weist. Hierdurch läßt sich die Verzeichnung des Gesamtsy­ stems vollständig beheben, so daß die f-R-Bedingung einge­ halten und damit eine strenge Linearität der Abtastbewegung des Abtastlichtflecks ermöglicht wird.

Eine Kompensation der durch den Hohlspiegel bewirkten Abbera­ tionen kann umso vollständiger erfolgen, je näher das Kor­ rektionssystem an den Entstehungsort der Fehler, also an den Hohlspiegel herangerückt wird. Dies würde bei großer Abtast­ länge, die einen großen Hohlspiegel erfordert, jedoch zu sehr großen Linsen und damit zu hohen Kosten führen.

Um auch bei großen Abtastlängen das Korrektionssystem aus re­ lativ kleinen Linsen aufbauen zu können, ist bei einem weite­ ren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß das Korrektionssystem in der Nähe des vorderen Brennpunktes der Abtastoptik angeordnet ist.

Um trotz der Anordnung des Korrektionssystems in der Nähe des vorderen Brennpunktes der Abtastoptik, also nahe an der periodisch arbeitenden Strahlablenkvorrichtung, eine gute Korrektur des Gesamtsystems herbeizuführen, ist bei einem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß das Korrektionssystem ein erstes mehrlinsiges Korrekturglied und ein vom ersten Korrekturglied deutlich abgesetztes zwei­ tes Korrekturglied aufweist, das aus zumindest einer Menis­ kuslinse mit geringer positiver oder negativer Brechkraft ge­ bildet ist. Hierdurch läßt sich eine gute Korrektur der ge­ samten Abtastoptik bei gleichzeitiger Verwendung von Linsen mit relativ kleinen Durchmessern erreichen.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Linsen des ersten Korrekturgliedes des Korrektionssystems nahe beieinan­ der angeordnet sind, wobei das erste Korrekturglied aus drei Linsen aufgebaut ist.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das erste Korrekturglied in Lichtrichtung hintereinander eine Meniskus- oder Plankonvexlinse, eine Bikonvexlinse und eine Bikonkavlinse aufweist.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich da­ durch aus, daß das erste Korrekturglied in Lichtrichtung hin­ tereinander eine Bikonvexlinse, eine Plankonvexlinse und eine Bikonkavlinse aufweist.

Um insbesondere eine gute Korrektur von Astigmatismus und Bildfeldwölbung zu ermöglichen, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das zweite Korrekturglied aus einer einzelnen Meniskuslinse besteht, deren konkave Seite dem vorderen Brennpunkt der Abtastoptik zugewandt ist.

Da die Meniskuslinse aufgrund ihrer Form und auch aufgrund ihrer Anordnung mit großem Abstand zum ersten Korrekturglied ein völlig anderes Verhalten bezüglich Astigmatismus und Bildfeldwölbung aufweist, läßt sich durch diese erfindungsge­ mäß vorgesehene Maßnahme eine gute Korrektur der entsprechen­ den Fehler erreichen.

Um zusätzlich auch noch eine gute Korrektur der Verzeichnung herbeizuführen, ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß das zweite Korrekturglied aus zwei relativ nahe beieinander angeordneten Meniskuslinsen be­ steht, deren konkave Seite dem vorderen Brennpunkt der Ab­ tastoptik zugewandt sind.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer optischen Abtastvorrichtung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein erstes Kor­ rektionssystem für die optische Abtastvorrich­ tung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein zweites Kor­ rektionssystem für die optische Abtastvorrich­ tung nach Fig. 1 und

Fig. 4 bis 6 Aberrationskurven für verschiedene Ausfüh­ rungsbeispiele der Abtastoptik für eine opti­ sche Abtastvorrichtung nach Fig. 1.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander ent­ sprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die optische Abtastvorrichtung besitzt nach Fig. 1 eine La­ serlichtquelle 20, deren Ausgangslichtstrahl 21 auf eine afo­ kale Strahlaufweitevorrichtung 22 auftrifft, durch die der Querschnitt des Lichtstrahls 21 in genau definierter Weise vergrößert werden kann. Die Strahlaufweitevorrichtung 22 be­ steht aus einer Grundaufweitevorrichtung 23, einer anamorpho­ tischen Prismenaufweiteanordnung 24 und einem variablen Pu­ pillenvergrößerer 25.

Der die Strahlaufweitevorrichtung 22 verlassende Lichtstrahl trifft dann auf eine periodisch arbeitende Strahlablenkvor­ richtung, die vorzugsweise durch ein Spiegelrad 30 gebildet ist.

Der vom Spiegelrad periodisch abgelenkte Lichtstrahl 21′ durchsetzt eine Abtastoptik 10, und wird von dieser über einen ebenen Umlenkspiegel 31 so auf die Materialbahn 32 fo­ kussiert, daß auf der Materialbahn 32 ein Abtastlichtfleck vorliegt.

Die Materialbahn 32 wird in Richtung des Pfeiles A transport­ iert, wobei der sie in Abtastrichtung B überstreichende Ab­ tastlichtfleck entlang der Abtastlinie 33 verschoben wird.

Trifft nun der Abtaststrahl auf einen Materialfehler, so ändern sich die Reflexions- und/oder Transmissionseigenschaf­ ten und über geeignete, nicht dargestellte Sensoren wird von einem angeschlossenen, ebenfalls nicht dargestellten Prozeß­ rechner eine Fehlererkennung betrieben.

Die Abtastoptik 10 umfaßt ein Korrektionssystem 11, das aus einem ersten, mehrlinsigen Korrekturglied 13 und einem aus einer Meniskuslinse 14 gebildeten zweiten Korrekturglied be­ steht, und einem Hohlspiegel 12, der als Feldlinse wirkt.

Der Hohlspiegel 12 kann dabei eine asphärische, reflektieren­ de Fläche aufweisen, so daß die Verzeichnung praktisch besei­ tigt ist. Da jedoch die Verzeichnung keinen Einfluß auf die Abbildungsqualität des Abtastlichtflecks hat, ist der Hohl­ spiegel 12 bevorzugt sphärisch ausgeführt, er besitzt also bevorzugt eine sphärische, reflektierende Fläche, da sich eine derartige Fläche mit der erforderlichen Genauigkeit auf einfache Weise herstellen läßt. Die verbleibende Verzeich­ nung kann dann bei der Signalauswertung im Prozeßrechner kor­ rigiert werden.

Bei der beschriebenen Abtastvorrichtung bildet die jeweils vom Lichtstrahl 21 beaufschlagte Spiegelfacette 30′ des Spie­ gelrades 30 die Pupille der Vorrichtung, die im vorderen Brennpunkt der Abtastoptik 10 angeordnet ist, so daß eine te­ lezentrische Abbildung des Abtastlichtflecks vorliegt und der Abtastlichtstrahl 21′ stets parallel zur optischen Achse unter dem gleichen Winkel auf die Materialbahn 32 auftrifft.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das Korrektionssystem 11, aus einem ersten Korrekturglied 13 und einer Miniskuslinse 14 mit geringer positiver Brechkraft aufgebaut, die das zweite Korrekturglied bildet. Im vorderen Brennpunkt der Abtastop­ tik 10 ist die Spiegelradfacette 30′ schematisch als Blende angedeutet.

Das erste Korrekturglied 13 besteht dabei aus einer Minuskus­ linse 15 mit geringer positiver Brechkraft, einer Bikonvex­ linse 16 und einer Bikonkavlinse 17.

Die Konstruktionsdaten für ein erstes Beispiel einer Ab­ tastoptik 10 mit einem Korrektionssystem 11 sind in Tabelle 1 angegeben, wobei die Brennweite auf f=100 mm reduziert ist. Die Öffnungszahl beträgt K=60, der halbe Abtastwinkel w=22,9° und die verwendete Wellenlänge ist λ=633 mm.

Die Flächen der Abtastoptik sind entsprechend Fig. 2 von links nach rechts durchnumeriert, wobei die Fläche 9 die ref­ lektierende Spiegeloberfläche darstellt.

Tabelle 1

Fig. 4 zeigt nun die Aberrationskurven für eine Abtastoptik 10, die mit den in Tabelle 1 angegebenen Konstruktionsdaten hergestellt wurde. Die Kurve A in Fig. 4 zeigt dabei die sphärische Längsaberration, die Kurven B und C den Astig­ matismus als sagittale bzw. tangentiale Bildschale und die Kurve D die f-R-Verzeichnung.

In Tabelle 2 sind die Konstruktionsdaten für ein zweites er­ findungsgemäßes Beispiel einer Abtastoptik 10 angegeben, die ein Korrekturobjektiv 11 entsprechend Fig. 2 aufweist. Die Brennweite der Abtastoptik ist wiederum auf f=100 mm redu­ ziert. Die Öffnungszahl beträgt K=73, der halbe Abtastwin­ kel w=22,3° für eine Wellenlänge λ=633 mm.

Tabelle 2

Die Aberrationskurven für eine Abtastoptik mit den in Tabel­ le 2 angegebenen Konstruktionsdaten sind in Fig. 5 darge­ stellt, wobei die verschiedenen Kurven A, B, C, D in Fig. 5 entsprechend denen in Fig. 4 ebenfalls die sphärische Längsaberration, sagittale bzw. tangentiale Bildschale und die f-R-Verzeichnung wiedergeben.

In Fig. 3 ist ein zweites Korrektionssystem 11 für eine Ab­ tastoptik 10 dargestellt. Im vorderen Brennpunkt der Abta­ stoptik 10 ist wiederum die Spiegelradfacette 30′ als Blende angedeutet. Das Korrekturglied 13 besteht hier aus einer Bi­ konvexlinse 15′, einer Plankonvexlinse 16′ und einer Bikon­ kavlinse 17′, die dicht beieinander angeordnet sind. Das zweite Korrekturglied 14 des Korrektionssystems 11 ist aus einer ersten Meniskuslinse 14′ mit geringer negativer Brech­ kraft und einer zweiten Meniskuslinse 14′′ mit positiver Brechkraft aufgebaut.

Die Konstruktionsdaten für eine Abtastoptik 10 mit einem derartigen Korrektionssystem 11 sind in Tabelle 3 angegeben, wobei die Brennweite wiederum auf f=100 mm reduziert ist und die Öffnungszahl K=67 sowie der halbe Abtastwinkel w=24,2° für eine Wellenlänge λ=633 mm beträgt.

Tabelle 3

In Fig. 6 sind die sphärische Längsaberration, sagittale bzw. tangentiale Bildschale und f-R-Verzeichnung als Kurven A, B, C bzw. D für eine Abtastoptik 10 mit den Kon­ struktionsdaten nach Tabelle 3 dargestellt.

Die beschriebene optische Abtastvorrichtung arbeitet wie folgt:

Zunächst wird der Querschnitt des auf eine Spiegelradfacette 30′ auftreffenden Lichtstrahls mittels der Aufweitevorrich­ tung 22 eingestellt. Da die Länge jeder Spiegelradfacette 30′ die maximale Apertur, also die größte Breite der Pupille in Abtastrichtung darstellt und damit die Breite des Abtast­ lichtflecks in Abtastrichtung festlegt, wird zunächst der Querschnitt des Lichtstrahls 21 in Richtung der Länge der Spiegelradfacette 30′ so groß gemacht, daß er diese stets etwas überleuchtet. Anschließend kann dann die Länge des Ab­ tastlichtflecks auf der Materialbahn über die Höhe des Strahlquerschnitts auf der Spiegelradfacette 30′ eingestellt werden, wozu im wesentlichen der variable Pupillenvergröße­ rer 25 dient.

Nachdem der Lichtfleck auf der Spiegelradfacette 30′ einge­ stellt ist und damit die Größe des Abtastlichtflecks auf der Materialbahn entsprechend den Auflösungserfordernissen der Abtastung festgelegt ist, erfolgt die Abtastung bei drehen­ dem Spiegelrad 30 periodisch in üblicher Weise.

Da durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Abtastoptik 10 die Abbildungsfehler praktisch beseitigt sind, also die von der Abtastoptik 10 bewirkten Wellenabbarationen für den ge­ samten Abtastbereich kleiner als λ/4 sind, wird die Größe des Abtastlichtflecks nur durch die Größe der Pupille be­ stimmt. Es liegt somit eine beugungsbegrenzte Abbildung vor, so daß die physikalisch mögliche optimale Auflösung der Ab­ tastvorrichtung eingestellt ist.

Claims (12)

1. Optische Abtastvorrichtung zum zeilenweisen Abtasten einer bewegten Materialbahn quer zu deren Vorschubsrich­ tung mit einer Laserlichtquelle, deren Ausgangslicht­ strahl von einer Strahlaufweiteoptik über eine perio­ disch arbeitende, im Brennpunkt einer Abtastoptik ange­ ordnete Strahlablenkvorrichtung auf die Abtastoptik ge­ lenkt wird, die einen Abtastlichtfleck in einer Abtast­ ebene erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastoptik (10) ein in Lichtrichtung vorne ange­ ordnetes Korrektionssystem (11) mit ausschließlich sphä­ rischen Flächen und ein in Lichtrichtung dahinter ange­ ordnetes als Feldlinse wirkendes Abtastglied (12) mit ausschließlich rotationssymmetrischen Flächen aufweist.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abtastglied ein Hohlspiegel (12) vorgesehen ist.

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (12) eine sphärische Fläche auf­ weist.

4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (12) eine asphärische Fläche auf­ weist.

5. Abtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektionssystem (11) in der Nähe des vorderen Brennpunktes der Abtastoptik (10) angeordnet ist.

6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektionssystem (11) ein erstes mehrlinsiges Korrekturglied (13) und ein vom ersten Korrekturglied (13) deutlich abgesetztes zweites Korrekturglied auf­ weist, das aus zumindest einer Meniskuslinse (14) mit ge­ ringer positiver oder negativer Brechkraft gebildet ist.

7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (15, 16, 17; 15′, 16′, 17′) des ersten Korrekturgliedes (13) des Korrektionssystems (11) nahe beieinander angeordnet sind.

8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Korrekturglied (13) aus drei Linsen (15, 16, 17; 15′, 16′, 17′) aufgebaut ist.

9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Korrekturglied (13) in Lichtrichtung hin­ tereinander eine Meniskus- oder Plankonvexlinse (15), eine Bikonvexlinse (16) und eine Bikonkavlinse (17) auf­ weist.

10. Abtastvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Korrekturglied (13) in Lichtrichtung hin­ tereinander eine Bikonvexlinse (15′), eine Plankonvexlin­ se (16′) und eine Bikonkavlinse (17′) aufweist.

11. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Korrekturglied (14) aus einer einzelnen Meniskuslinse (14) besteht, deren konkave Seite dem vor­ deren Brennpunkt der Abtastoptik (10) zugewandt ist.

12. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Korrekturglied aus zwei relativ nahe bei­ einander angeordneten Meniskuslinsen (14′, 14′′) besteht, deren konkave Seite dem vorderen Brennpunkt der Abtastop­ tik (10) zugewandt sind.