DE3918075C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken eines Strahlenbündels um einen vorgebbaren Winkel.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, bei welcher das Strahlenbündel mittels eines Umlenkprismas abgelenkt wird, das um die Achse des einfallenden Strah­ lenbündels drehbar ist und dessen Strahleintrittsfläche senkrecht zur Drehachse liegt. Gegebenenfalls wird das abgelenkte Strahlenbündel mit einem dem Umlenkprisma zuge­ ordneten Abbildungssystem auf eine abzutastende Oberfläche abgebildet.

Solche Vorrichtungen werden beispielsweise in Scanner- Sytemen verwendet. In bekannten Scanner-Systemen wird ein von einer Lichtquelle ausgesendetes Strahlenbündel durch ein rotierendes Umlenkelement abgelenkt und als Lichtpunkt auf eine abzutastende Oberfläche abgebildet. Durch die Rotationsbewegung des Umlenkelementes beschreibt der abge­ bildete Lichtpunkt auf der Oberfläche eine Linearbewegung. Die Abtastung der Oberfläche erfolgt zeilenweise. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß die abzutastende Oberfläche auf einer Walze aufgebracht ist, die sich schrittweise um ihre Figurenachse dreht.

Die Genauigkeit des Scanner-Systems hängt entscheidend davon ab, wie geradlinig die Abtastzeilen auf der abzu­ tastenden Oberfläche verlaufen. Eine Fehlerquelle, die zu Abweichungen von einer geradlinigen Abtastung führt, be­ steht darin, daß die Drehachse des Umlenkelementes durch fertigungsbedingte oder verschleißbedingte Ungenauigkeiten in den Drehlagern in eine Flatter- bzw. Vibrationsbewegung (Wobbeln) versetzt wird.

Wenn das Strahlenbündel mit einem Spiegel oder einem ein­ fachen Reflexionsprisma (Halbwürfel) umgelenkt wird, über­ trägt sich die Flatterbewegung verstärkt auf die Bewegung des abgelenkten Strahlenbündels. Der abgebildete Licht­ punkt führt dann keine lineare, sondern eine wellenartige Bewegung aus.

Um den störenden Einfluß der Flatterbewegung der Drehachse bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entgegenzuwirken, sind mehrere Lösungen bekannt.

In den US-PSen 42 97 031 und 44 75 787 wird das Strahlen­ bündel mit Hilfe eines Penta-Prismas, das um eine Achse rotiert, die eine der senkrecht zueinanderstehenden Sei­ tenflächen durchsetzt, abgelenkt.

In der DE-PS 37 07 023 wird das Strahlenbündel mit Hilfe eines Viereckprismas nach Wollaston abgelenkt. Die Rota­ tionsachse durchsetzt eine der senkrecht zueinander ste­ henden Seitenflächen des Prismas. Sowohl durch das Penta­ prisma als auch durch das Prisma nach Wollaston wird eine konstante, von Verkippungen der Prismenachse unabhängige Ablenkung eines Strahlenbündels erreicht. Dadurch wird der Fehler, der durch die Vibrationsbewegung der Drehachse hervorgerufen wird, ausgeglichen.

Bei beiden Prismen ist der Abstand zwischen der Drehachse und dem von dieser am weitest entfernten Prismenteil ver­ gleichsweise groß. Insbesondere wenn ein derartiges Prisma auf kleinste Dimensionen ausgelegt ist, wirkt sich dieser die Eingangsschnittweite bestimmende Abstand negativ aus. Weiter kommt es für die Auslegung auf kleinste Dimensio­ nen darauf an, bei einem vorgegebenen Querschnitt des Strahlenbündels ein Prisma zu verwenden, das die gattungs­ gemäßen Anforderungen erfüllt und ein möglichst kleines Volumen und Gewicht aufweist.

In dieser Hinsicht lassen sich mit einem Viereck-Prisma nach Wollaston bessere Ergebnisse erzielen als mit einem Pentaprisma.

In der DE-PS 37 07 023 sind zwei verschiedene Strahlfüh­ rungen angegeben. Bei der einen wird das Strahlenbündel nach Eintritt durch eine senkrecht zum Strahl verlaufende Fläche zweimal hintereinander total von den Seitenflächen reflektiert, ehe es die senkrecht zur Eingangsfläche ste­ hende Ausgangsfläche senkrecht durchdringt. Bei dieser Strahlführung muß die Seitenlänge des Viereckprismas ca. 3,5mal so groß sein wie der Strahldurchmesser. Solche Prismen sind vergleichsweise groß und eignen sich nicht für die Anwendung in Scanner-Systemen in denen das Um­ lenkprisma mit großer Geschwindigkeit rotiert. Deshalb ist eine zweite Strahlführung angegeben, bei welcher das Vier­ eckprisma bei vorgegebenem Querschnitt des Strahlenbündels ein geringeres Volumen und Gewicht aufweist als ein Penta­ prisma. Bei dieser Strahlführung wird der Strahl viermal im Inneren des Prismas reflektiert. An zwei Flächen er­ folgt die Reflexion unter einem Winkel, der kleiner als der Winkel der Totalreflexion ist. Deshalb müssen diese beiden Flächen mit einer Reflexionsschicht versehen wer­ den.

Da das Strahlenbündel auf seinem Weg durch das Viereck­ prisma auf die vier Flächen trifft, müssen alle vier Flä­ chen optisch plan geschliffen werden. Die Herstellung eines Umlenkprismas nach Wollaston ist somit mit vielen Arbeitsschritten verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Umlenkprisma für ein Scanner-System anzugeben, das unempfindlich auf Verkippungen der Prismenachse gegen die Richtung des ein­ fallenden Strahlenbündels reagiert, das ein möglichst geringes Volumen und Gewicht aufweist und das einfach zu fertigen ist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen erfolgt die Ablen­ kung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung teilweise durch Reflexion und teilweise durch Brechung. Die beiden Re­ flexionen innerhalb des Prismas bewirken, daß sich eine Verkippung des Prismas gegen die Strahlenachse etwa um einen Faktor 10 schwächer auf die Strahlumlenkung auswirkt als beispielsweise die Verkippung eines Spiegels. Dadurch wirkt sich eine Vibrationsbewegung der Drehachse 10mal weniger auf den umgelenkten Strahl aus, als bei der Ver­ wendung eines Spiegels, so daß auch die Genauigkeitsanfor­ derungen an die Lage der Drehachse relativ zum Umlenk­ prisma niedriger als bei bekannten Lösungen sind.

Der Beitrag der Brechung zur Umlenkung des Strahlenbündels bewirkt, daß eine Ungenauigkeit des Winkels zwischen zwei Prismenflächen durch eine geringfügige Kippung ausgegli­ chen werden kann. Dadurch ergeben sich geringere Anforde­ rungen an die Toleranzen bei der Fertigung des erfindungs­ gemäßen Umlenkprismas als bei der Herstellung eines Vier­ kantprismas nach Wollaston.

Das erfindungsgemäße Umlenkprisma weist nur drei optische Flächen auf, wodurch sich der Herstellungsprozeß gegenüber dem Vierkantprisma vereinfacht.

Die Verwendung des Dreieckprismas innerhalb einer gat­ tungsgemäßen Vorrichtung erweist sich als besonders gün­ stig bezüglich des Volumens, des Gewichtes und des die Eingangsschnittweite bestimmenden Abstandes zwischen der Drehachse und dem am weitest entfernten Prismenteils.

Bei gleichem Querschnitt des Strahlenbündels weist das erfindungsgemäße Dreieckprisma weniger als die Hälfte des minimalen Gewichtes eines entsprechenden Vierkantprismas nach Wollaston auf und die Eingangsschnittweite ist um etwa ein Drittel geringer.

Mit dem erfindungsgemäßen Dreieckprisma lassen sich auf einfache Weise durch Bearbeitung nur einer Fläche beliebi­ ge Ablenkwinkel erzielen. Für die Anwendung in einer gat­ tungsgemäßen Vorrichtung erweist sich nach Anspruch 2 ein Umlenkwinkel von 90° als besonders günstig.

Nach Anspruch 3 ist die Fläche an der das Strahlenbündel die zweite Reflexion erfährt, mit einer Reflexionsschicht versehen. Im Vergleich zum Vierkantprisma nach Wollaston, das zwei reflektierende Flächen aufweist, ergibt sich erneut eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses.

Die Winkel zwischen den optischen Flächen können in einem weiten Bereich variieren. Der Winkel α zwischen der Ein- und Strahlaustrittsfläche muß größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion sein und kann zwischen 45° und annähernd 90° gewählt werden.

In Anspruch 4 ist eine besonders günstige Ausführungsform gekennzeichnet, die ein besonders geringes Gewicht des Umlenkprismas ergibt. In Anspruch 5 ist ein weiteres Aus­ führungsbeispiel beschrieben, das vorteilhaft eingesetzt wird, wenn das Strahlenbündel aus apparativen Gründen das Prisma in einem größeren Abstand von der Strahleintrittsfläche verlassen soll.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der gattungsge­ mäßen Vorrichtung ist in Anspruch 7 gekennzeichnet. Als Lichtquelle wird in an sich bekannter Weise eine Laser­ diode und als dem Umlenkprisma zugeordnetes Abbildungssy­ stem (Anspruch 6) eine beugungsbegrenzte Optik (F-Theta- Optik) verwendet. Bei dieser Weiterbildung wird ausge­ nutzt, daß infolge der Brechung des Lichtbündels an der Strahlaustrittsfläche ein mit kreisförmigem Querschnitt eintretendes Lichtbündel auf der Strahlaustrittsseite einen elliptischen Querschnitt erhält. Das Verhältnis der Achsen beträgt etwa 1 : 0,85. Wenn das Strahlenbündel der Laserdiode, das im allgemeinen einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist, das Dreieckprisma durchläuft, wird diese Abweichung wenigstens teilweise kompensiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles im Vergleich zum Stand der Technik unter Bezug­ nahme auf die beiden Zeichnungen nächer beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a die Umlenkung eines Strahlenbündels an einem Spiegel im Schnitt

Fig. 1b die Umlenkung eines Strahlenbündels durch ein erfindungsgemäßes Dreieckprisma im Schnitt

Fig. 2a einen Schnitt durch ein Viereckprisma nach Wollaston

Fig. 2b einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Dreieckprisma.

In allen Figuren sind Umlenkelemente dargestellt, die das eintretende Strahlenbündels um 90° ablenken. Auf die Dar­ stellung der Lichtquellen, der Halterungen und Lagerungen der Umlenkelemente, sowie auf die Darstellung der zugeord­ neten Abbildungssysteme wurde verzichtet.

In Fig. 1a ist ein Spiegel (1) dargestellt, auf den ein Strahlenbündel so auftrifft, daß es um Φ ₀ = 90° abgelenkt wird. Aus dem Strahlenbündel ist nur der zentrale Strahl (2) gezeichnet. Wenn ein Strahl (3) um einen Winkel e verkippt auftrifft, wird er um Φ abgelenkt, wobei die Änderung der Ablenkung δΦ = Φ ₀ - Φ = 2ε beträgt.

In Fig. 1b ist ein erfindungsgemäßes Dreieckprisma mit den unverspiegelten Flächen (4, 5) und der verspiegelten Fläche (6) dargestellt, auf das ein Strahlenbündel auf­ trifft. Das Strahlenbündel, von dem nur der zentrale Strahl (7) gezeichnet ist, tritt senkrecht durch die Flä­ che (4) in das Dreieckprisma ein, wird total an der unver­ spiegelten Fläche (5) und anschließend an der verspiegel­ ten Fläche (6) reflektiert, ehe es an der unverspiegelten Fläche (5) gebrochen wird und aus dem Prisma austritt. Das austretende Strahlenbündel ist um den Winkel Φ ₀ = 90° gegenüber dem einfallenden abgelenkt. Ein Strahl (8) trifft um den Winkel ε verkippt auf die Strahleintritts­ fläche (4) auf und verläßt das Prisma um den Winkel Φ abge­ lenkt, wobei die Änderung der Ablenkung δΦ = Φ ₀ - Φ = 0,2 ε beträgt. Das erfindungsgemäße Prisma reagiert damit um einen Faktor 10 weniger empfindlich auf Verkippungen als der Spiegel.

In Fig. 2a ist zum Vergleich mit einem erfindungsgemäßen Prisma ein Viereckprisma nach Wollaston dargestellt. Es besitzt zwei unverspiegelte Flächen 9, 10, die einen rech­ ten 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 die Fläche 9 in das Viereckprisma ein, wird an der verspiegelten Fläche 11 reflektiert und nachfolgend an den Flächen 9, 10 total reflektiert. Nach Reflexion an der Fläche 12 tritt das Strahlenbündel aus Fläche 10 aus. Das austretende Strahlenbündel ist gegenüber dem eintretenden Strahlenbündel um 90° abgelenkt. Die Strahlenbündelachse (14) ist auch Drehachse des Viereckprismas. Die einfallen­ den 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. Das Strahlenbündel besitzt gegenüber Fläche 10 einen Abstand x von z.B. 0,15 d (d: Durchmesser des Strahleintritts-Strah­ lenbündels). Der Abstand x ist erforderlich, damit auch bei einem Verkippen der Prismendrehachse eine korrekte Umlenkung eines Strahlenbündels erfolgt.

In Fig. 2b ist ein erfindungsgemäßes Dreieckprisma darge­ stellt, das zum Ablenken eines Strahls mit dem gleichen Querschnitt d wie in Fig. 2a geeignet ist. Es besitzt zwei unverspiegelte Flächen 4, 5 die einen Winkel von 50° ein­ schließen und eine verspiegelte Fläche 6, die mit der Fläche 5 einen Winkel von 37,5° einschließt. Ein Strahlen­ bündel, von dem die Strahlen 16, 17, 18 dargestellt sind, trifft senkrecht durch die Fläche 4 in das Dreieckprisma ein, wird an der unverspiegelten Fläche 5 und an der ver­ spiegelten Fläche 6 reflektiert und anschließend an der Strahlaustrittsfläche 5 gebrochen. Das Strahlenbündel verläßt das Prisma unter einem Winkel R gegenüber der Flächennormalen der Strahlaustrittsfläche. Die Drehachse des Dreiecks-Prismas ist in etwa senkrecht zur Prismenflä­ che 4 orientiert.

In Fig. 2b ist der Idealfall einer nichtverkippten Dreh­ achse dargestellt. Das Strahlenbündel besitzt wiederum den Querschnitt d. Die Breite der Strahleintrittsfläche 4 überragt beidseitig den Querschnitt des Strahlenbündels um einen Betrag x von beispielsweise 0,1d, damit bei Verkip­ pen der Drehachse eine vollständige Umlenkung des Strah­ lenbündels gewährleistet ist.

Im Vergleich zum Viereckprisma nach Wollaston nimmt das Dreieckprisma weniger als die Hälfte an Raum ein, wodurch mehr als die Hälfte Material eingespart wird. Auch die Eingangsschnittweite ist gegenüber dem Viereckprisma nach Wollaston wesentlich verringert.

Die Zahlenwerte der Ausführungsbeispiele stellen keine Beschränkung der Allgemeinheit dar. Die Wahl der Winkel hängt sowohl vom jeweiligen Anwendungsfall als auch von der Brechkraft des verwendeten Prismen-Materials ab.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Ablenken eines Strahlenbündels um einen vorgebbaren Winkel (Φ), mit einem Umlenkprisma, das um die Achse des einfallenden Strahlenbündels drehbar ist, und dessen Strahleintritts­ fläche senkrecht zur Drehachse liegt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlaustrittsfläche (5) des Umlenkprismas mit der Strahleintrittsfläche (4) einen Winkel (α) einschließt, der so festgelegt ist,

• - daß das durch die Strahleintrittsfläche (4) eintretende Strahlenbündel zunächst an der Strahlaustrittsfläche (5) total reflektiert wird, und
• - daß das Strahlenbündel nach Reflexion an einer weiteren Fläche (6) des Umlenkprismas an der Strahlaustrittsfläche (5) gebrochen wird und unter einem Winkel w gegen die Flächennormale der Strahlaustrittsfläche (5) aus dem Pris­ ma austritt, wobei gilt: α + δ = Φ.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel um 90° ab­ gelenkt wird (Φ = 90°) .

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (6), an der das Strahlenbündel die zweite Reflexion erfährt, mit einer Reflexionsschicht versehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (a) zwischen der Strahleintrittsfläche (4) und der Strahlaustrittsfläche (5) ca. 50° und der Winkel (Γ) zwischen der Strahlaus­ trittsfläche (5) und der weiteren Fläche ca. 37,5° be­ trägt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) zwischen der Strahleintrittsfläche (4) und der Strahlaustrittsfläche (5) ca. 60° und der Winkel zwischen der Strahlaustritts­ fläche und der weiteren Fläche (6) ca. 39,7° beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Umlenkprisma ein Abbil­ dungssystem zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine Laserdiode den abzulenkenden Lichtstrahl erzeugt, und daß die Verzerrung des Lichtstrahlquerschnittes durch das Prisma die Abweichung des Querschnitts des von der Laser­ diode erzeugten Lichtstrahls von der Kreisform wenigstens teilweise kompensiert.