DE4128468C2 - Vorrichtung zur Teilung eines Lichtstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Reproduktionstechnik und betrifft ei­ ne Vorrichtung zur Teilung eines Lichtstrahls in zwei Teilstrahlen.

Eine solche Vorrichtung zur Teilung eines Lichtstrahls kann beispielsweise in einer Lichtstrahl-Abtasteinrichtung für Vorlagen-Abtastgeräte oder für Aufzeichnungsge­ räte Anwendung finden.

Bei einem Vorlagen-Abtastgerät, auch Eingabe-Scanner genannt, wird der Licht­ strahl punkt- und zeilenweise über die abzutastende Vorlage geführt und das von der Vorlage reflektierte oder durchgelassene Abtastlicht in einem optoelektroni­ schen Wandler in ein Bildsignal umgewandelt. Bei einem Aufzeichnungsgerät, auch Recorder, Belichter oder Ausgabe-Scanner genannt, wird der Lichtstrahl zur Aufzeichnung von Information durch ein Bildsignal intensitätsmoduliert und punkt- und zeilenweise über ein lichtempfindliches Aufzeichnungsmedium geführt.

Im Falle eines Flachbett-Gerätes ist die Halterung für die Vorlage bzw. das Auf­ zeichnungsmedium eine ebene Fläche, über die der Lichtstrahl punkt- und zeilen­ weise geführt wird und die sich relativ zur Lichtstrahl-Abtastvorrichtung bewegt.

Im Falle eines Innentrommel-Gerätes ist die Halterung für die Vorlage bzw. das Aufzeichnungsmedium als stationäre Halbschale oder Mulde ausgebildet. Die Lichtstrahl-Abtastvorrichtung bewegt sich parallel zur Längsachse der Halbschale oder Mulde, und der Lichtstrahl wird senkrecht zur Längsachse radial über die Vorlage bzw. das Aufzeichnungsmedium geführt.

Aus der EP-0 354 028 A ist eine Vorrichtung zur Teilung eines Lichtstrahls in Teil­ strahlen bei einem Innentrommel-Belichter bekannt. Mit der dort angegebenen Vorrichtung ist es möglich, die Teilstrahlen derart auszurichten, daß sie einen Ver­ satz von etwa 180° aufweisen. Dadurch kann bei Rotation der Vorrichtung in der Innentrommel eine zweifache Strahlablenkung erreicht werden, um dadurch die Aufzeichnungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

In der DE 39 18 075 C wird eine andere Vorrichtung zur Teilung eines Lichtstrahls mittels eines Polarisations-Strahlteilers beschrieben, bei dem als Träger für die Polarisationsschicht ein Prisma verwendet wird. Durch die Kombination von Re­ flexions- und Brechungs-Eigenschaften ist es mit Hilfe dieses Prismas möglich, einen Lichtstrahl in eine vorgegebene Richtung zu lenken.

Aus der EP-0 126 469 B ist es bekannt, die Ablenkung von Lichtstrahlen über eine Innentrommel mit einem rotierenden Spiegel durchzuführen. Mit Hilfe des Spiegels ist es möglich, einen Nutzbereich von 120° zu belichten.

In der WO 90/15 355 wird eine weitere Vorrichtung zur Strahlablenkung bei Innen­ trommel-Belichtern beschrieben. Zur Vermeidung der Auswirkungen von Störun­ gen sind hier an einer rotierenden Welle zwei Reflexionsflächen angeordnet, von denen die einer Strahlquelle zugewandte erste Reflexionsfläche die Lichtstrahlung in Richtung auf die zweite Reflexionsfläche lenkt und diese den Lichtstrahl auf ein zu belichtendes Material ausrichtet.

Aus der DE 31 32 290 A ist eine stationäre optoelektronische Abtastvorrichtung für eine Bildplatte bekannt. Ein polarisierter Lichtstrahl fällt auf eine polarisationsrich­ tungsabhängige Polarisationsschicht eines Polarisations-Strahlteilers, wird als linear polarisierte Lichtkomponente entlang einer optischen Achse transmittiert und in ei­ nem Phasentransformator in eine zirkular polarisierte Lichtkomponente umgewan­ delt. Die auf die Bildplatte fokussierte, zirkular polarisierte Lichtkomponente wird durch den Informationsinhalt der Bildplatte intensitätsmoduliert und dann in dem Phasentransformator in eine linear polarisierte, intensitätsmodulierte Lichtkompo­ nente zurückgewandelt, deren Polarisationsrichtung gegenüber der Polarisations­ richtung der linear polarisierten, nicht intensitätsmodulierten Lichtkomponente ge­ dreht ist. Aufgrund der geänderten Polarisationsrichtung wird die linear polarisierte, intensitätsmodulierte Lichtkomponente nunmehr an der Polarisationsschicht des Polarisations-Strahlteilers reflektiert und auf einen optoelektronischen Wandler fo­ kussiert, in dem die Lichtkomponente in ein elektrisches Signal umgesetzt wird.

Die bekannte optoelektronische Bildplatten-Abtastvorrichtung ist nicht dazu geeig­ net, zwei um 180° versetze Teilstrahlen zu erzeugen.

In der US 5,011,245 wird bereits eine drehbare Vorrichtung zur Teilung eines Lichtstrahls in zwei Teilstrahlen beschrieben, bei der ein nicht polarisierter Licht­ strahls mittels einer teildurchlässigen Reflexionsschicht geteilt wird. Dadurch, daß kein polarisierter Lichtstrahl verwendet wird, läßt sich keine genaue Strahlteilung erreichen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Teilung eines Lichtstrahls in zwei Teilstrahlen derart zu verbes­ sern, daß bei Gewährleistung einer kompakten Bauweise eine qualitativ hochwer­ tige Strahlteilung erfolgt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Strahlteilungs-Vorrichtung und

Fig. 2 ein Anwendungsbeispiel für die Strahlteilungs-Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Strahlteilungs-Vorrichtung, in der ein polarisierter Lichtstrahl (1) in zwei Teilstrahlen (2, 3) mittels eines Polarisations- Strahlteilers (4) aufgespalten wird. Der Polarisations-Strahlteiler (4) weist eine Po­ larisationsschicht (5) auf, von der der polarisierte Lichtstrahl (1) in Abhängigkeit von seiner Polarisationsrichtung reflektiert oder durchgelassen wird.

Eine Lichtquelle (7), die beispielsweise eine Halbleiter-Laserdiode ist, erzeugt bei­ spielsweise den linear polarisierten Lichtstrahl (1). Grundsätzlich kann auch jede andere Lichtquelle, die einen nichtpolarisierten Lichtstrahl erzeugt in Verbindung mit einem Polarisator verwendet werden, um einen linear polarisierten Lichtstrahl zu erzeugen. Der von der Lichtquelle (7) generierte Lichtstrahl (1) wird zunächst einem Objektiv (8) zugeführt, welches den Lichtstrahl (1) in Richtung einer opti­ schen Achse (9) bündelt. Der gebündelte, linear polarisierte Lichtstrahl (1) fällt dann auf einen Phasentransformator (10), in dem die lineare Polarisation in eine zirkulare Polarisation umgewandelt wird. Der Phasentransformator (10) ist bei­ spielsweise eine λM-Platte. Die λM-Platte weist eine kristalline Struktur auf. In Kri­ stallen ist die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung von den Orientierungen der Kristallachsen abhängig. Hieraus resultieren in Abhängigkeit von der Orientierung der Lichtkomponenten unterschiedliche Durchlaufzeiten, die zur Transformation der linearen Polarisation in eine zirkulare Polarisation genutzt werden können.

Statt der λM-Platte ist es auch möglich, andersartig ausgebildete Phasentransfor­ matoren zu verwenden. Beispielsweise ist es möglich, einen magnetooptischen Wandler unter Ausnutzung des Faraday-Effektes, ein Fresnel-Prisma oder eine Schicht aus einem doppelbrechenden Material (Kunststoff, flüssige Kristalle usw.) zu verwenden.

Zur Vermeidung von komplizierten mechanischen Justierungen ist hinter dem Phasentransformator (10) eine Keilplatte (11) mit einer zur optischen Achse (9) geneigten Eintrittsfläche (12) angeordnet. Bei Änderung des Neigungswinkels der Eintrittsfläche (12) durch Drehen der Keilplatte (11) kann eine Feinjustierung der Ausrichtung der Teilstrahlen (2, 3) vorgenommen werden. Insbesondere ist es möglich, die Keilplatte (11) derart auszubilden, daß bei Verdrehen der Keilplatte (11) um etwa 10° die Positionierung der Teilstrahlen (2, 3) zueinander im Bereich einer Projektionsfläche (13) lediglich etwa um einige Mikrometer variiert.

Der zirkular polarisierte und justierte Lichtstrahl (1) fällt auf eine sich um die opti­ sche Achse (9) drehende Ablenkeinheit (14). In der Ablenkeinheit (14) wird der Lichtstrahl (1) in die Teilstrahlen (2, 3) zerlegt deren Ausbreitungsrichtung senk­ recht zur optischen Achse (9) drehbar ist.

Die Rotation der Ablenkeinheit (14) erfolgt mittels eines Motors (15). Um gute Gleichlaufeigenschaften zu erreichen, wird die Ablenkeinheit (14) vorzugsweise in Luftlagern gelagert.

In der Ablenkeinheit (14) sind der Polarisations-Strahlteiler (4), ein weiterer Pha­ sentransformator (16), ein Reflektor (17), beispielsweise ein Spiegel, und Linsen (18,19) angeordnet. Polarisations-Strahlteiler (4), Phasentransformator (16) und Reflektor (17) können zu einer kompakten Einheit, z. B. durch Klebung, verbunden sein. Alternativ kann auch die Keilplatte (11) Bestandteil der Ablenkeinheit (14) sein, um eine kompakte mechanische Einheit zu schaffen, deren Elemente geeig­ net justiert werden können. Der Reflektor (17) könnte auch stationär angeordnet werden.

Ein Teil des zirkular polarisierten Lichtstrahls (1) wird von der Polarisationsschicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) als senkrecht zur optischen Achse (9) verlau­ fender Teilstrahl (2) reflektiert. Der andere Teil des zirkular polarisierten Lichtstrah­ les (1) wird als in Richtung der optischen Achse (9) verlaufende Lichtkomponente (20) durch die Polarisationsschicht (5) hindurchgelassen, wodurch die Lichtleistung des Lichtstrahls (1) nahezu verlustfrei halbiert wird. Durch die Zirkularpolarisation des Lichtstrahls (1) wird erreicht, daß die Polarisationswirkung der Polarisations­ schicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) unabhängig vom jeweiligen Drehwin­ kel der Ablenkeinheit (14) bzw. des Polarisations-Strahlteilers (4) ist. Der reflektier­ te Teilstrahl (2) und die durchgelassene Lichtkomponente (20) sind linear polari­ siert.

Die linear polarisierte Lichtkomponente (20) wird auf den Phasentransformator (16) geleitet, der wiederum als λ/4-Platte ausgebildet sein kann. Wenn die linear polarisierte Lichtkomponente (20) den Phasentransformator (16) in Richtung auf den Reflektor (17) durchläuft, wird die lineare Polarisation in eine zirkulare Polari­ sation umgewandelt. Die nunmehr zirkular polarisierte Lichtkomponente (20) wird an dem Reflektor (17) reflektiert und durchläuft erneut den Phasentransformator 16) in entgegengesetzter Richtung, wodurch eine Drehung der Polarisation um 90° gegenüber der Polarisation der in Richtung des Reflektors (17) laufenden Lichtkomponente (20) erreicht wird. Hierdurch hat die λM-Platte die Wirkung einer λ/2-Platte, die dazu führt, daß die Polarisationsschicht (5) des Polarisations- Strahlteilers (4) bezüglich der vom Reflektor (17) reflektierten Lichtkomponente total reflektierende Eigenschaften aufweist. Dadurch wird die vom Reflektor (17) kommende Lichtkomponente (20) senkrecht zur Richtung der optischen Achse (9) an der Polarisationsschicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) total reflektiert und der Teilstrahl (3) erzeugt.

Wenn die Polarisationsschicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) unter einem Winkel von etwa 45° zur optischen Achse (9) angeordnet ist, treten die beiden Teilstrahlen (2, 3) in entgegengesetzten Richtungen aus dem Polarisations- Strahlteiler (4) aus.

Aufgrund der unterschiedlichen Durchlaufwege der Lichtkomponenten durch den Polarisations-Strahlteiler (4) weisen die Linsen (18, 19) unterschiedliche optische Eigenschaften auf. Insbesondere kann die Linse (18) konvex und die Linse (19) konkav ausgebildet werden. Prinzipiell ist es auch möglich, lediglich eine Linse vorzusehen, und die Fokussierung eines Teilstrahls (2, 3) nur mit Hilfe des Objek­ tivs (8) vorzunehmen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, mindestens eine der Linsen (18, 19) als optische Einheit mit dem Polarisations-Strahlteiler (4) auszubil­ den. Schließlich ist es auch denkbar, statt der Linsen (18, 19) den Reflektor (17) konvex zu gestalten, der den Strahlengang in geeigneter Weise fokussiert. Wei­ terhin kann auch die Polarisationsschicht (5) eine geeignete Wölbung zur Fokus­ sierung erhalten.

Die Polarisationsschicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) wird in der Regel aus mehreren dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes gebil­ det. Alternativ kann die Polarisationsschicht (5) aus einer polarisierenden Folie aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Als Träger für die Polarisationsschicht (5) kann eine Glasplatte oder, wie im Ausführungsbeispiel, ein Prisma (4) verwendet werden. Das Prisma (4) besteht im Ausführungsbeispiel aus zwei Dreikantprismen (21, 22). Die Polarisationsschicht (5) ist im Bereich der ein­ ander zugewandten Begrenzungsflächen der Dreikantprismen (21, 22) angeord­ net. Prinzipiell ist es auch ausreichend, lediglich ein Dreikantprisma zu verwenden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Strahlteilung werden durch Drehung der Ablenkeinheit (14) um die optische Achse (9) zwei um 180° zueinander versetzte Teilstrahlen (2, 3) erzeugt die um die Strahlenachse (9) ro­ tieren. Wenn entsprechend versetzte, aber nur stationäre Teilstrahlen benötigt werden, kann die Ablenkeinheit (14) ortsfest angeordnet sein. In diesem Falle wird ein zu teilender Lichtstrahl (1) benötigt, der nicht mehr zirkular polarisiert, sondern lediglich linear mit einer Polarisationsrichtung von 450 polarisiert sein muß. In die­ sem Fall kann der die zirkulare Polarisation bewirkender Phasentransformator (10) entfallen.

Fig. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Strahlteiler- Vorrichtung in einer Abtasteinrichtung (23) eines nach dem Innentrommel-Prinzip ausgebildeten Aufzeichnungsgerätes. Bei einem solchen Innentrommel-Recorder oder -Belichter ist das Aufzeichnungsmaterial (24) an der Innenwand einer halb­ schalenförmigen bzw. zylindersegmentartigen Halterung (25) befestigt. Die Abta­ steinrichtung (23) rotiert um die Längsachse (26) der Halbschale bzw. des Zylin­ dersegmentes. Die Abtasteinrichtung (23) weist die in Fig. 1 beschriebene und dargestellte Strahlteiler-Vorrichtung auf. Die Teilstrahlen (2, 3) werden von einem Videosignal helligkeitsmoduliert und zur punkt- und zeilenweisen Aufzeichnung von Information radial über das Aufzeichnungsmedium (23) gelenkt. Dazu bewegt sich die Abtasteinrichtung (23) entlang der Längsachse (26) mittels eines geeigne­ ten, nicht dargestellten Antriebes. Durch die Zweistrahl-Aufzeichnung wird ein hö­ herer Nutzungsgrad erreicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Strahlteilung kann in vorteilhafterweise so­ wohl bei Innentrommel-Geräten als auch bei Flachbett-Geräten verwendet werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei Vorlagen-Abtastern einzusetzen. In diesem Falle dienen die Teilstrahlen zur punkt- und zeilenweisen Beleuchtung der abgetasteten Vorlagen.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Teilung eines Lichtstrahles in zwei Teilstrahlen, bestehend aus

• - einer Lichtquelle (7) zur Erzeugung eines polarisierten Lichtstrahles (1) entlang einer optischen Achse (9),
• - einem auf der optischen Achse (9) vor der Lichtquelle (7) angeordneten Objektiv (8),
• - einem von dem polarisierten Lichtstrahl (1) beaufschlagten, auf der op­ tischen Achse (9) angeordneten Polarisations-Strahlteiler (4) mit einer quer zur optischen Achse (9) verlaufenden Polarisationsschicht (5), die einen Anteil des auf den Polarisations-Strahlteiler (4) auftreffenden polarisierten Lichtstrahles (1) als eine in Richtung der optischen Achse (9) verlaufende linear polarisierte Lichtkomponente (20) transmittiert und
• - einem auf der optischen Achse (9) hinter dem Polarisations-Strahlteiler (4) befindlichen Phasentransformator (16), der die lineare Polarisation der transmittierten Lichtkomponente (20) bei einem ersten Durchgang in eine zirkulare Polarisation transformiert und der bei einem zweiten Durchgang der nunmehr zirkular polarisierten Lichtkomponente (20) in Richtung auf den Polarisations-Strahlteiler (4) eine Phasendrehung der Polarisation um 90° gegenüber der Polarisationsrichtung der transmittierten Lichtkomponente (20) erzeugt, wobei die in der Phase um 90° gedrehte Lichtkomponente (20) an der Polarisationsschicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) als im we­ sentlichen senkrecht zur optischen Achse (9) verlaufender erster Teilstrahl (3) reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Polarisationsschicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) einen anderen Anteil des auf den Polarisations-Strahlteiler (4) auftreffenden Lichtstrahles (1) als im wesentlich in entgegengesetzter Richtung zum ersten Teilstrahl (3) verlaufenden zweiten Teilstrahl (2) reflektiert,
• - die beim ersten Durchgang durch den Phasentransformator (16) erzeugte zirkular polarisierte Lichtkomponente (20) an einem auf der optischen Achse (9) angeordneten Reflektor (17) für den zweiten Durchgang reflektiert wird und
• - Polarisations-Strahlteiler (4), Phasentransformator (16) und Reflektor (17) eine um die optische Achse (9) drehbare Ablenkeinheit (14) bilden, wodurch die Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen (2, 3) senkrecht zur optischen Achse (9) drehbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der op­ tischen Achse (9) zwischen der Lichtquelle (7) und der drehbaren Ablenkeinheit (14) ein weiterer Phasentransformator (10) angeordnet ist, der die Polarisation des von der Lichtquelle (7) kommenden Lichtstrahles (1) in eine zirkulare Polarisation transformiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsschicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) auf einer Glasplatte angebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsschicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) auf einem Prisma angebracht ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsschicht (5) des Polarisations-Strahlteilers (4) unter einem Winkel von etwa 45° zur optischen Achse (9) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisations-Strahlteiler (4) aus zwei Dreikantprismen (21, 22) besteht, zwischen denen sich ein Luftspalt erstreckt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisations-Strahlteiler (4) im wesentlichen als ein Dreikantprisma ausgebildet ist, das mit einer aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildeten Polarisationsschicht (5) versehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasentransformatoren (10, 16) als λ/4-Platten ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasentransformatoren (10,16) als Fresnel-Prismen ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (7) ein Halbleiter-Laser ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von unterschiedlichen optischen Weglängen mindes­ tens eine Linse (18,19) zur Fokussierung eines der Teilstrahlen (2, 3) relativ zu einer Bezugsfläche (13) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (18) konvex und die Linse (19) konkav ausgebildet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Linsen (18, 19) an den Polarisations-Strahlteiler (4) angeformt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausrichtung der Teilstrahlen (2, 3) vor der Ablenkeinheit (14) eine Keilplatte (11) vorgesehen ist, die bezüglich der optischen Achse (9) drehbar gelagert ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (17) auf einer Glasplatte aufgebracht ist, die mindestens auf einer Seite sphärisch gewölbt ist.