DE4205674A1 - Dynamic light scanner, esp. for precisely scanning text or films - has rotating grid performing double refraction with beam retro-reflected along single axis after first refraction - Google Patents
Dynamic light scanner, esp. for precisely scanning text or films - has rotating grid performing double refraction with beam retro-reflected along single axis after first refractionInfo
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Abstract
Description
Dynamische lichtablenkende Anordnung (Scanner), bei der die dynamische Lichtablenkung durch zweimalige Beugung des Lichts an mindestens einem um seine Flächennormale rotierenden Gitter erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Beugung genau eine der beiden senkrecht zur Flächennormalen des Gitters liegenden Komponenten des Wellenvektors des Lichts umgedreht wird, so daß nach der zweiten Beugung diese Komponente des Wellenvektors bei Rotation des oder der Gitter konstant bleibt, wohingegen sich die anderen beiden Komponenten des Wellenvektors abhängig vom Drehwinkel des oder der Gitter ändern.Dynamic light deflecting arrangement (scanner), in which the dynamic Light deflection by diffracting the light twice on at least one um its surface normal rotating grid takes place, characterized in that after the first diffraction exactly one of the two perpendicular to the surface normal components of the wave vector of light lying on the grid so that after the second diffraction this component of the wave vector with rotation of the grid or grids remains constant, whereas the others two components of the wave vector depending on the angle of rotation of the or the grid change.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lese- und Schreibanordnung, die sich insbesondere zum schnellen Abtasten gerader Linien in einer Bildebene mit dem Fokus eines Laserstrahls eignet (sogenannte Linien-Scanner).The present invention relates to a read and write arrangement especially for fast scanning of straight lines in an image plane the focus of a laser beam (so-called line scanner).
Wichtige Anwendungen der Anordnung sind das präzise Abtasten von Druckvorlagen und Filmen, sowie ein möglicher Einsatz der Anordnung in kommerziellen Laserdruckern.Important applications of the arrangement are the precise scanning of Print templates and films, as well as a possible use of the arrangement in commercial laser printers.
Die bislang bekannten und kommerziell eingesetzten Linien-Scanner sind im wesentlichen:The previously known and commercially used line scanners are in the essential:
- i) Spiegel-Scanner,i) mirror scanner,
- ii) Einfache Gitter-Scanner (Hologon),ii) simple grid scanner (hologon),
- iii) Gitter-Scanner mit Bogenkorrektur,iii) grid scanner with sheet correction,
- iv) Prismen-Scanner,iv) prism scanner,
-
zu i) Spiegel-Scanner sind gewöhnlich als rotierende Spiegel-Polygone
ausgeführt, wobei die Anzahl der Spiegel über die Anzahl der Scans
pro Umdrehung und den Winkelbereich, der pro Facette abgetastet
wird, entscheiden. Bei Fokussierung des abgelenkten Strahls mit einer
f-R-Linse wird theoretisch eine perfekt gerade Linie wellenlängenun
abhängig abgetastet.
Erhebliche Probleme liegen jedoch in den mechanischen Toleranzen des Systems. Geringe Taumelbewegungen der Drehachse führen zu erheblichen Abweichungen des Fokus von der gewünschten Linie. Zudem tastet bei uneinheitlicher Ausrichtung der Spiegelfacetten jede Facette eine andere Linie ab.
Beide Effekte gemeinsam führen dazu, daß bei jeder Rotation mehrere nicht parallele Linien abgetastet werden.to i) Mirror scanners are usually designed as rotating mirror polygons, the number of mirrors determining the number of scans per revolution and the angular range that is scanned per facet. When focusing the deflected beam with an fR lens, a perfectly straight line is theoretically scanned independently of the wavelength.
However, the mechanical tolerances of the system pose significant problems. Slight wobbling movements of the axis of rotation lead to considerable deviations of the focus from the desired line. In addition, if the mirror facets are not aligned uniformly, each facet scans a different line.
Both effects together result in several non-parallel lines being scanned with each rotation. -
zu ii) Das lichtablenkende Element bei Gitter-Scannern ist eine rotierende,
plane Scan-Scheibe, die aus mehreren identischen Gitterfacetten zusam
mengesetzt ist. Jede Facette entspricht dann einer Facette eines Spiegel
polygons. Die Ablenkung des Lichts geschieht durch Beugung des
Lichts in Transmission an den einzelnen Gitterfacetten.
Die Nachteile von Gitter-Scannern bestehen darin, daß der abgelenkte und fokussierte Strahl nicht eine gerade Linie abtastet, sondern einen Bogen, bei senkrechtem Einfall des Strahls insbesondere einen Kreisbo gen, sowie darin, daß sich der abgetastete Bogen bei Wellenlängenän derungen der Lichtquelle stark verschiebt.
Ein erheblicher Vorteil von Gitter-Scannern ist ihre gute Unempfind lichkeit gegen Taumelbewegungen der Drehachse.to ii) The light-deflecting element in grating scanners is a rotating, flat scanning disc, which is composed of several identical grating facets. Each facet then corresponds to a facet of a mirror polygon. The light is deflected by diffraction of the light in transmission at the individual grating facets.
The disadvantages of grating scanners are that the deflected and focused beam does not scan a straight line, but an arc, with a vertical incidence of the beam, in particular a circular arc, and that the scanned arc shifts strongly at wavelength changes of the light source .
A major advantage of grid scanners is their good insensitivity to wobble movements of the axis of rotation. - zu iii) Bei Gitter-Scannern mit Bogenkorrektur wird versucht mit zusätzlichen optischen Elementen, wie beispielsweise Brechung des vom Gitter abgelenkten Strahls an einem nachgeschalteten Prisma /1/, zu erreichen, daß sich zumindest für einen begrenzten Winkelbereich des abgelenkten Strahls nur geringe Abweichungen von einer geraden Linie ergeben. Eine Verbesserung der spektralen Empfindlichkeit ergibt sich dadurch nicht.to iii) In the case of grid scanners with arc correction, attempts are made with additional ones optical elements, such as refraction from the grating deflected beam on a downstream prism / 1 / achieve that at least for a limited angular range of deflected beam only slight deviations from a straight line surrender. There is an improvement in the spectral sensitivity not by that.
- zu iv) Prismen-Scanner zeichnen sich durch krümmungsfreie Scan-Linien und durch geringe Taumelempfindlichkeit aus. Andererseits sind die Taumelbewegungen nur schwer kontrollierbar, da die Form des Pris mas sehr schnell zu Unwucht bei der Rotation, sowie zu aerody namischen Problemen bei schneller Rotation führt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß nur ein oder maximal zwei Scans pro Umdrehung möglich sind.to iv) Prism scanners are characterized by curvature-free scan lines and characterized by low sensitivity to wobble. On the other hand, they are Tumbling movements are difficult to control because of the shape of the pris mas very quickly to unbalance during rotation, as well as to aerody problems with fast rotation. Another The disadvantage is that only one or a maximum of two scans per Revolution are possible.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Anordnung für einen Linien- Scanner mit einem Hologon als lichtablenkendem Element. Die Anordnung ist derart, daß die mit einem Lichtpunkt abgetastete Linie sehr schmal und inhärent krümmungsfrei ist jede Gitterfacette tastet exakt dieselbe gerade Linie ab. Änderungen der Wellenlänge der Lichtquelle, die z. B. bei Verwendung von Halbleiterlasern als Lichtquelle auftreten können, führen zu keiner Verschiebung oder Krümmung der Linie. Die momentane Position des Licht punktes ist in hohem Maße unempfindlich gegen Taumelbewegungen, die durch mechanische Toleranzen in der Anordnung entstehen können. Wegen der guten aerodynamischen Eigenschaften des Hologons lassen sich Taumel bewegungen gut kontrollieren. Die Zahl der Scans pro Umdrehungen und der gescannte Winkelbereich lassen sich durch die Zahl der Facetten und die Gitterperiode der Gitterfacetten einstellen.The present invention relates to a novel arrangement for a line Scanner with a hologone as a light-deflecting element. The arrangement is such that the line scanned with a point of light is very narrow and Every grating facet is inherently free of curvature and traces exactly the same straight line from. Changes in the wavelength of the light source, e.g. B. in use of semiconductor lasers can occur as a light source, lead to none Shift or curvature of the line. The current position of the light point is highly insensitive to wobble movements due to mechanical tolerances in the arrangement. Because of The good aerodynamic properties of the hologone can be wobbled control movements well. The number of scans per revolution and the scanned angular range can be determined by the number of facets and the Set the grating period of the grating facets.
In Abb. 1 ist eine holographische Scanscheibe (1) dargestellt, die auf einer Drehachse (2) montiert ist. Die Scheibe besteht aus mehreren identischen Facetten. Jede Facette ist ein holographisches Gitter, wobei die Gitter jeweils die gleiche Orientierung zum Mittelpunkt der Scan-Scheibe, also zur Drehachse, haben. Die Aufnahme der einzelnen Facetten erfolgt durch Belichtung mit einem Interferenzmuster, erzeugt durch zwei ebene kohärente Wellen. Die Rekonstruktion erfolgt mit einem Laser oder einer anderen Lichtquelle ausreichender Kohärenz (3). Es wird entweder mit einer ebenen Welle oder mit einer Kugelwelle rekonstruiert. Hinter der Scann-Scheibe ist ein einachsig retroreflektierendes Element (4) angebracht. Dieses Element kann z. B. ein Prisma oder können zwei senkrecht zueinander stehende Spiegel sein. Die Retroreflex-Ebene und die Ebene der Scan-Scheibe stehen senkrecht zueinander. Die Retroreflex-Ebene sei die x-z-Ebene und die Ebene der Scan-Scheibe die x-y-Ebene. Fig. 1 shows a holographic scanning disc ( 1 ) which is mounted on an axis of rotation ( 2 ). The disc consists of several identical facets. Each facet is a holographic grating, the grids each having the same orientation to the center of the scanning disk, that is to the axis of rotation. The individual facets are recorded by exposure with an interference pattern, generated by two plane coherent waves. The reconstruction is carried out with a laser or another light source of sufficient coherence ( 3 ). It is reconstructed either with a flat wave or with a spherical wave. A uniaxial retroreflective element ( 4 ) is attached behind the scanning disc. This element can e.g. B. a prism or can be two mutually perpendicular mirrors. The retroreflective plane and the plane of the scanning disk are perpendicular to one another. The retroreflective plane is the xz plane and the plane of the scan disk is the xy plane.
Erfolgt die Rekonstruktion mit einem parallelen Laserstrahl, so läuft die an einer Facette der Scan-Scheibe gebeugte Welle zunächst auf einem Scanbo gen. Sie wird einachsig retroreflektiert und ein zweites Mal an derselben Facette der Scan-Scheibe gebeugt.If the reconstruction is carried out with a parallel laser beam, it starts of a facet of the scanning disk, first of all on a scanbo It is retroreflected uniaxially and a second time on the same Facet of the scan disk bent.
Durch die zweimalige Beugung und die Retroreflexion wird die x-Kompo nente des Wellenvektors des Rekonstruktionsstrahls invertiert. Die x-Kompo nente des Scanstrahls ist daher eine Konstante, wogegen seine y- und z- Komponente Funktionen des Drehwinkels R der Scanscheibe sind. Ist speziell die x-Komponente der Rekonstruktionswelle Null, so ist auch die x- Komponente der Scan-Welle Null. Die Wellenvektoren der Scan-Welle liegen exakt in einer Ebene, der y-z-Ebene. Durch Fokussierung der Scan Welle mit einer f-R-Linse (6) erhält man einen scannenden Lichtpunkt auf einer Geraden.The x-component of the wave vector of the reconstruction beam is inverted by the double diffraction and the retroreflection. The x component of the scanning beam is therefore a constant, whereas its y and z components are functions of the angle of rotation R of the scanning disk. If, in particular, the x component of the reconstruction wave is zero, the x component of the scan wave is also zero. The wave vectors of the scan wave lie exactly in one plane, the yz plane. By focusing the scan wave with an fR lens ( 6 ), a scanning light spot is obtained on a straight line.
Zur Herleitung soll ein einzelnes rotierendes holographisches Gitter mit dem GittervektorTo derive a single rotating holographic grating with the grid vector
=(K┴ · cos R, K┴ · sin R, Kz)= (K ┴ · cos R, K ┴ · sin R, K z )
betrachtet werden, wobei R der Drehwinkel des Gitters in der x-y-Ebene ist. Die Gitterkon stante g des Gitters ist also: g=2π/K┴.are considered, where R is the angle of rotation of the grating in the xy plane. The lattice constant g of the lattice is therefore: g = 2π / K ┴ .
Die Rekonstruktionswelle kommt aus der konstanten Richtung The reconstruction wave comes from the constant direction
Entsprechend der Ray-Tracing-Gleichung der Holographie /2/ ist der Wellenvektor ₁ der in erster Beugungsordnung am Gitter gebeugten Welle:According to the holography ray tracing equation / 2 / is the Wave vector ₁ of the wave diffracted in the first diffraction order on the grating:
Durch die Retroreflexion der gebeugten Welle in der x-z-Ebene wird die x- und die z-Komponente von ₁ invertiert. Der Wellenvektor der retroreflektierten Welle lautet somit:Due to the retroreflection of the diffracted wave in the x-z plane, the x- and the z component of ₁ is inverted. The wave vector of the retroreflected wave is therefore:
Die rertroreflektierte Welle wird noch einmal in der ersten Beugungsordnung am Gitter gebeugt, womit sich für den Wellenvektor Scan der Scan-Welle ergibt:The rertroreflected wave is diffracted once again in the first diffraction order on the grating, which results in the scan vector of the scan wave for the wave vector:
Wie man sieht ist die x-Komponente der Scan-Welle konstant. Speziell für XRek=YRek=0 erhält man: As you can see, the x component of the scan wave is constant. Especially for X Rek = Y Rek = 0 one gets:
Alle Wellenvektoren liegen in der y-z-Ebene. Der Scanwinkel RScan, den die Welle mit der x-z-Ebene einschließt, beträgt:All wave vectors lie in the yz plane. The scan angle R scan , which the shaft encloses with the xz plane, is:
Bei Wellenlängenänderungen der Rekonstruktionswelle erhält man keine Abweichungen von der Scan-Geraden, wie sich aus Gl. (1) ablesen läßt. Es ergibt sich lediglich eine Änderung des Scan-Winkels gemäß Gl. (2), d. h. ein Längsversatz auf der Scangeraden.With changes in the wavelength of the reconstruction wave, there are no deviations from the scan line, as can be seen from Eq. ( 1 ) can be read. There is only a change in the scan angle according to Eq. ( 2 ), ie a longitudinal offset on the scan line.
Translationsbewegungen der Scan-Scheibe ohne Änderung ihres Flächennorma lenvektors haben keine Auswirkung auf die Scan-Richtung.Translational movements of the scan disk without changing its surface normal lenvectors have no effect on the scan direction.
Bei Taumelbewegungen müssen zwei Kippachsen unterschieden werden:A distinction must be made between two tilting axes for wobble movements:
-
i) Kippen der Scan-Scheibe in der x-z-Ebene.
Bei einem Kippwinkel Φ des Gitters liegen die Wellenvektoren der Scan- Welle nicht mehr in der y-z-Ebene, sondern auf einem Kegelmantel, der die y- z-Ebene für R=0 berührt. Der Öffnungswinkel des Kegels beträgt (180°-2Φ). Die Scan-Welle schließt dann mit der y-z-Ebene einen Winkel Δ α ein, so daß sich eine Abweichung von der Scan-Geraden ergibt.
Für kleine Kippwinkel Φ ist: Δα≈Φ · (1-cos RScan)Für nicht zu große Scan-Winkel RScan, ergibt sich eine gute Unem pfindlichkeit gegen Taumelbewegungen.i) Tilting the scan disk in the xz plane.
At a tilt angle Φ of the grating, the wave vectors of the scan wave no longer lie in the yz plane, but on a conical surface that touches the yz plane for R = 0. The opening angle of the cone is (180 ° -2Φ). The scan wave then forms an angle Δ α with the yz plane, so that there is a deviation from the scan straight line.
For small tilt angles Φ is: Δα≈Φ · (1-cos R scan ) For scan angles R scan that are not too large, there is good insensitivity to wobble movements. -
ii) Kippen der Scan-Scheibe in der y-z-Ebene.
Diese Kippbewegung hat keinen Einluß auf die X-Komponente des Gittervektors und daher auch keinen Einfluß auf die X-Komponenten der Wellenvektoren. Es ergibt sich also keine Abweichung von der Scan-Geraden, sondern lediglich ein Versatz auf der Scan-Geraden. Bei einem kleinen Kippwinkel Φ gilt für die Änderung des Scan Winkels in guter Nährung: ii) tilting the scan disk in the yz plane.
This tilting movement has no influence on the X component of the grating vector and therefore has no influence on the X component of the wave vectors. So there is no deviation from the scan line, but only an offset on the scan line. With a small tilt angle Φ the following applies to changing the scan angle in good approximation:
Auch hier ergibt sich für nicht zu große Scan-Winkel eine hohe Unem pfindlichkeit gegen Taumelbewegungen.Here too there is a high Unem for not too large scan angles Sensitivity to wobble.
Das kollimierte parallele Licht einer Laserdiode (3) wird nach Umlenkung über einen Spiegel (5) an einer Facette eines rotierenden Hologons (1) in Transmission gebeugt. Jede Facette des Hologons ist ein Transmissionsgitter. Das gebeugte Licht wird von einem 90°-Prisma (4) einachsig retroreflektiert und wird dann an derselben Gitterfacette des Hologons noch einmal gebeugt. Anschließend wird das gebeugte Licht mit einer f-R Linse (6) auf eine Schreib- oder Leseebene (7) fokussiert.The collimated parallel light of a laser diode ( 3 ) is deflected in transmission after deflection via a mirror ( 5 ) on a facet of a rotating hologone ( 1 ). Every facet of the hologone is a transmission grid. The diffracted light is retroreflected by a 90 ° prism ( 4 ) and is then refracted again on the same grating facet of the hologone. The diffracted light is then focused with a fR lens ( 6 ) on a writing or reading plane ( 7 ).
Das kollimierte parallele Licht einer Laserdiode (3) wird an einer Kathete eines 90°-Prismas (4) gebrochen, durchläuft das Prisma und tritt an der Hypothenuse des Prismas wieder aus. Anschließend wird der Strahl an eine Facette eines rotierenden Hologons (1) in Reflexion gebeugt. Jede Facette des Hologons ist ein Reflexionsgitter. Das gebeugte Licht wird von demselben Prisma einachsig retroreflektiert und wird dann an derselben Gitterfacette des Hologons noch einmal gebeugt. Anschließend wird das gebeugte Licht mit einer f-R Linse (6) auf eine Schreib- oder Leseebene (7) fokussiert.The collimated parallel light from a laser diode ( 3 ) is refracted at a catheter of a 90 ° prism ( 4 ), passes through the prism and exits at the hypothenus of the prism. The beam is then diffracted in reflection on a facet of a rotating hologone ( 1 ). Every facet of the hologone is a reflection grating. The diffracted light is retroreflected by the same prism, and is then refracted again on the same grating facet of the hologone. The diffracted light is then focused with a fR lens ( 6 ) on a writing or reading plane ( 7 ).
/1/ Charles J. Kramer
Hologon deflectors incorporating dispersive optical elements for
scan line bow correction;
SPIE proceeding on Holographic Optics: Design and Applicatins,
Vol. 883, Januar 13-14, 1988
/2/ H.W. Holloway and R.A. Ferrante
Computer analysis of holographic systems by means of vector ray tracing
Applied Optics 29/12, p 2081, 1981/ 1 / Charles J. Kramer
Hologon deflectors incorporating dispersive optical elements for scan line bow correction;
SPIE proceeding on Holographic Optics: Design and Applicatins, Vol. 883, January 13-14, 1988
/ 2 / HW Holloway and RA Ferrante
Computer analysis of holographic systems by means of vector ray tracing Applied Optics 29/12, p 2081, 1981
Claims (8)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19924205674 DE4205674A1 (en) | 1992-02-25 | 1992-02-25 | Dynamic light scanner, esp. for precisely scanning text or films - has rotating grid performing double refraction with beam retro-reflected along single axis after first refraction |
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Publications (1)
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| Country | Link |
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| DE (1) | DE4205674A1 (en) |
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1992
- 1992-02-25 DE DE19924205674 patent/DE4205674A1/en not_active Withdrawn
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