DE4220993A1 - Optisches abtastsystem mit selbstaetiger fokussierung - Google Patents

Optisches abtastsystem mit selbstaetiger fokussierung

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DE4220993A1
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Description

Die Erfindung basiert auf den japanischen Patentanmeldungen HEI 3-2 52 686 vom 26.06.1991 und HEI 4-1 01 384 vom 21.04.1992, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen wird, und sie beansprucht die Priorität dieser Anmeldungen.
Die Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem wie einen Laserplotter, der ein Bild durch Abtastung mittels Laserlicht zeichnet. Insbesondere betrifft die Erfindung ein optisches Abtastsystem, das eine selbstätige Fokussierung auf die Bildebene vornehmen kann.
Die bekannten Laserplotter sind darauf abgestellt, Bilder von vergleichsweise geringer Genauigkeit zu zeichnen und der Punktdurchmesser, der die Detailgröße (minimale Linienbreite) bestimmt, betrug etwa 30µm. Um Bilder größerer Genauigkeit und geringerer Detailgröße zu zeichnen, muß der Punkt auf der Bildebene weiter verkleinert werden. Da der Punktdurchmesser der Blendenzahl des optischen Systems proportional ist, kann er durch Verkleinerung desselben verringert werden.
Jedoch ist die Schärfentiefe des optischen Systems proportional dem Quadrat seiner Blendenzahl, womit, falls letztere verringert wird, um die Genauigkeit der Musterbildung oder Bilds zu verbessern, es sehr wahrscheinlich ist, daß die Bildebene außerhalb der Schärfentiefe liegt, bedingt durch verschiedene Faktoren wie beispielsweise die Welligkeit und die Verschwenkung der Ebene.
Die Erfindung wurde unter diesen Umständen realisiert und es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, ein optisches Abtastsystem mit selbstätiger Fokussierung zu schaffen, das hinsichtlich der Bildebene ordnungsgemäß derart korrigiert werden kann, daß diese nicht außerhalb der Schärfentiefe liegt, bedingt durch deren Welligkeit, Neigung und anderen Erscheinungen, selbst wenn die Blendenzahl des Systems verkleinert wird.
Diese Aufgabenstellung sowie weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellungen werden durch ein optisches Abtastsystem, das gekennzeichnet ist durch eine Schreibstrahlquelle, die Schreibstrahlen abgibt; eine Ablenkvorrichtung, die die Lichtstrahlen aus dem Schreibstrahl ablenkt und zur Abtastung verschwenkt; eine Abtastlinse, mittels welcher die von der Ablenkvorrichtung abgelenkten Lichtstrahlen fokussiert werden, um auf einer Bildebene ein Bild zu erzeugen; eine Vorrichtung zur Erfassung der Scharfeinstellung, die das von der Bildebene reflektierte Licht über die Abtastlinse erhält, um den Fokussierungszustand seitens der Abtastlinse auf der Schreibebene zu erfassen; und eine Fokussierungseinstellvorrichtung, die es ermöglicht, daß die Abtastlinse auf der Bildebene auf der Grundlage des Ausgangssignals der Vorrichtung zur Erfassung der Fokussierung ordnungsgemäß fokussiert wird.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine Darstellung des optischen Abtastsystems des Beispiels 1 der Erfindung,
Fig. 2 eine Darstellung des optischen Abtastsystems gemäß Beispiel 2 der Erfindung,
Fig. 3 eine Darstellung des optischen Abtastsystems gemäß Beispiel 3 der Erfindung,
Fig. 4 eine Darstellung der spezifischen Ausführungsformen des Einstellbereichs im System nach Anspruch 3, und
Fig. 5 und 6 ein Beispiel 4 der Erfindung.
Der Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Beispiel 1
Fig. 1 zeigt das Beispiel 1 des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems. Ein Gaslaser 10, der ein Schreibstrahl-Licht darstellt, sendet Schreibstrahlen des musterbildenden Lichts aus, die durch eine Sammellinse 11 konvergent gemacht werden, die durch einen A/O Modulator 12 modelliert und mittels einer Kollimatorlinse 13 parallel gemacht werden. Der kollimierte Schreibstrahl wird durch einen Polygonalspiegel 20 reflektiert und abgelenkt und zwecks Formung eines Bildes auf einer Bildebene 30 mittels einer telezentrischen Abtastlinse 40 fokussiert.
Der Polygonalspiegel 20 dreht sich gemäß Fig. 1 in Richtung eines Pfeils R, während ein Strahlpunkt auf der Bildebene 30 in der Hauptabtastrichtung P verschwenkt wird.
Eine Vorrichtung 50 zur Erfassung der Scharfeinstellung sendet Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge aus, die von jener der Schreibstrahlquelle verschieden ist und die ausgesandten Strahlen werden auf die Schreibstrahlen überlagert, zwecks Abtastung über die Bildebene 30. Das von der Bildebene reflektierte Licht wird durch die Vorrichtung 50 aufgenommen, die den Zustand der Scharfeinstellung durch die Abtastlinse 40 auf der Bildebene 30 erfaßt.
Ein Halbleiterlaser 51 gibt als Lichtquelle zur Erfassung der Scharfeinstellung linear polarisierte divergente Lichtstrahlen ab, die durch eine Kollimatorlinse 52 parallel gemacht werden, durch einen Strahlungsteiler 53 für den polarisierten Strahl hindurchtreten und die durch eine Lambda-Viertel-Plättchen 54 zirkular polarisiert werden. Ein dichroitischer Spiegel 55 hat die Eigenschaft, daß er die Wellenlänge des Schreibstrahls hindurchläßt, während er die Wellenlänge des Lichtstrahls für die Erfassung der Scharfeinstellung reflektiert und die beiden Strahlen werden überlagert, bevor sie auf den Polygonalspiegel 20 auftreffen.
Der Lichtstrahl zur Erfassung der Scharfeinstellung, der durch den Polygonalspiegel 20 zusammen mit dem Schreibstrahl reflektiert und abgelenkt wurde, wird durch die Abtastlinse 40 fokussiert, um auf der Bildebene 30 ein Bild zu liefern, und von da reflektiert, damit die Zirkularpolarisation in einer Richtung gedreht wird, die entgegengesetzt zur Drehung beim Auftreffen des Strahls auf der Bildebene war.
Da die Abtastlinse 40 auf der Seite der Bildebene telezentrisch ist, sind die auf der Bildebene 30 auftreffenden Lichtstrahlen normal zu dieser. Somit kehrt der Lichtstrahl zur Erfassung der Scharfeinstellung der von der Bildebene 30 reflektiert wird, zur Lichtquelle zurück, indem er im gleichen Strahlengang umkehrt, in welchem er auf die Bildebene aufgetroffen ist. Der rückkehrende Strahl wird durch den dichroitischen Spiegel 55 reflektiert.
Der durch den dichroitischen Spiegel 55 reflektierte Lichtstrahl tritt durch das Lambda-Viertel-Plättchen 54 hindurch und wird linear polarisiert in einer Richtung, die um 90° gegenüber dem Fall verschoben ist, bei dem das Licht aus dem Halbleiterlaser 51 austrat. Der linear polarisierte Strahl wird durch den Strahlungsteiler 53 für den polarisierten Strahl reflektiert und tritt durch eine anamorphotische Kondensorlinse 56 hindurch, um auf einem Lichtempfängerelement 57 konzentriert zu werden.
Das Prinzip der Erfassung der Scharfeinstellung, das erfindungsgemäß eingesetzt wird, ist das gleiche, das durch ein optisches Scheibensystem zur Erfassung von Scharfeinstellungsfehlern verwendet wird. Genauer ausgedrückt, wird die Scharfeinstellung auf der Grundlage des Umstands erfaßt, daß Form und Größe eines Strahlpunkts am Lichtempfängerelement abhängig von der Abbildungsbedingung auf der Bildebene des Schreibstrahls geändert werden, d. h. die Fokussierungsbedingung der Abtastung. Ein Scharfeinstellungssignal wie es durch das Lichtempfängerelement 57 erfaßt wird, wird einer Fokussierungseinstellvorrichtung 60 zugeführt. Bei dem infragestehenden Fall stellt die Fokussierungseinstellvorrichtung 60 die Scharfeinstellung durch Steuerung der Abtastlinse 40 längs der optischen Achse ein. Die Abtastlinse 40 kann in ihrer Gesamtheit angetrieben werden; falls sie jedoch aus mehr als einer Linsengruppe besteht, kann ein Teil von ihr durch die Einstellvorrichtung 60 angetrieben werden.
Gemäß dem System des Beispiels 1 wird die Wellenlänge des Lichts zur Erfassung der Scharfeinstellung derart eingestellt, daß sie außerhalb des spektralen (oder Belichtungs-) Empfindlichkeitsbereich der Bildebene liegt, so daß der Zustand der Scharfeinstellung auf dieser Ebene erfaßt werden kann, ohne die Qualität des geformten Bilds zu beeinträchtigen. Als weiterer Vorteil ist die Erfassung der Scharfeinstellung möglich, selbst wenn der Schreibstrahl nicht zur Lichtaussendung aktiviert wird.
Beispiel 2
Fig. 2 zeigt ein Beispiel 2 des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems. Das System gemäß Beispiel 2 verwendet einen direkt abstimmbaren Halbleiterlaser 14 als Schreibstrahl und der reflektierte Schreibstrahl wird für die Erfassung der Scharfeinstellung verwendet.
Der Schreibstrahl, der aus dem Halbleiterlaser 14 austritt, wird durch eine Kollimatorlinse 13 geschickt, einen Strahlungsteiler 58 für den polarisierten Strahl, und ein Lambda-Viertel-Plättchen 54, um in einen zirkular polarisierten Strahl umgesetzt zu werden, der dann durch einen Polygonalspiegel 20 reflektiert und abgelenkt wird. Der abgelenkte Strahl tritt durch eine Abtastlinse 40 und wird auf einer Bildebene 30 fokussiert.
Der von der Bildebene 30 reflektierte Lichtstrahl kehrt im gleichen optischen Strahlengang zurück, in dem er auf die Bildebene aufgetroffen ist und er wird dann in das Lambda-Viertel-Plättchen 54 eingegeben, so daß er linear in eine Richtung polarisiert wird, die senkrecht gegenüber dem Fall beim Auftreffen auf die Bildebene liegt. Der linear polarisierte Strahl wird durch den Strahlenteiler 58 für das polarisierte Licht reflektiert und tritt durch eine Kondensorlinse 56, um auf einem Lichtempfängerelement 57 konzentriert zu werden.
Ein Signal aus dem Lichtempfängerelement 57 wird einer Fokussierungseinstellvorrichtung 60 zugeführt. Im betrachteten Fall steuert die Fokussierungseinstellvorrichtung 60 die Bildebene 30 längs der optischen Achse, wodurch der Scharfeinstellungszustand auf der Bildebene 30 durch die Abtastlinse 40 eingestellt wird.
Das System gemäß Beispiel 2 hat den Vorteil, daß es in der Lage ist, den Zustand der Scharfeinstellung mit einem einfachen Aufbau ohne Verwendung einer getrennten Lichtquelle zusätzlich zur Schreibstrahlquelle zu erfassen.
Beispiel 3
Die Fig. 3 und 4 zeigen das Beispiel 3 des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems. Das System gemäß Beispiel 3 verwendet Halbleiterlaser 14 und 51, wovon einer als Schreibstrahl und der andere als eine Lichtquelle zur Erfassung einer Scharfeinstellung verwendet wird; das System sieht einen Strahlungsteiler 58 für den polarisierten Lichtstrahl vor, damit das Licht aus dem Halbleiterlaser 14 auf dem Licht aus dem anderen Halbleiterlaser 51 überlagert wird.
Die abbildenden Lichtstrahlen, die aus dem Halbleiterlaser 14 austreten, werden über eine Kollimatorlinse 13 und einen Strahlungsteiler 58 für den polarisierten Strahl übertragen, hinsichtlich ihres parallelen Verlaufs durch einen Einstellbereich 70 eingestellt, und mittels eines Polygonalspiegels 20 reflektiert und abgelenkt. Der abgelenkte Strahl tritt durch eine Abtastlinse 40 hindurch und wird auf einer Bildebene 30 fokussiert.
Die Lichtstrahlen zur Erfassung der Scharfeinstellung, die aus dem anderen Halbleiterlaser 51 austreten, werden durch eine Kollimatorlinse 52 und einen ersten Strahlenteiler 53 für den polarisierten Strahl übertragen und mittels eines Lambda-Viertel-Plättchens 54 zirkular polarisiert. Ein Teil des zirkular polarisierten Lichtstrahls zur Erfassung der Scharfeinstellung wird durch einen zweiten Strahlenteiler 58 für den polarisierten Strahl reflektiert und auf dem abbildenden Lichtstrahl überlagert.
Der von der Bildebene 30 reflektierte Lichtstrahl zur Erfassung der Scharfeinstellung kehrt zu den Lichtquellen im gleichen optischen Strahlengang zurück, in dem er auf die Bildebene aufgetroffen ist und ein Teil dieses Strahls wird weiter durch den zweiten Strahlenteiler 58 für den polarisierten Strahl reflektiert. Der auf die Bildebene 30 auftreffende abbildende Lichtstrahl bleibt linear polarisiert, so daß er, selbst wenn er von der Bildebene reflektiert wird, gerade durch den zweiten Strahlungsteiler für den polarisierten Strahl hindurchtritt, ohne in die Vorrichtung 50 zur Erfassung der Scharfeinstellung einzutreten. Der Lichtstrahl zur Erfassung der Scharfeinstellung, der durch den zweiten Strahlungsteiler 58 für den polarisierten Strahl reflektiert wird, tritt durch das Lambda-Viertel Plättchen 54 hindurch, und wird linear polarisiert, in einer Richtung senkrecht gegenüber dem Fall des Auftreffens des Strahls auf die Bildebene 30. Der linear polarisierte Lichtstrahl wird durch den ersten Strahlungsteiler 53 für das polarisierte Licht reflektiert und tritt durch die Kondensorlinse 56, um auf einem Lichtempfängerelement 57 konzentriert zu werden.
Der Einstellbereich 70 besteht aus einem Strahlungsdehner verschiedener Bauart gemäß Fig. 4. Die linke Seite der Fig. 4 ist den Lichtquellen benachbart und die rechte Seite dem polygonalen Spiegel. Fig. 4A zeigt einen Galileischen Strahlungsdehner, der eine Zerstreuungslinse und eine Sammelinse in dieser Reihenfolge umfaßt; und Fig. 40 zeigt einen Keplerschen Strahlungsdehner, der zwei Sammellinsenelemente umfaßt. Welche Bauart eines Strahlungsdehners auch verwendet wird, die Parallelität eines Lichtstrahls kann eingestellt werden, indem eine der beiden Linsenelemente längs der optischen Achse bewegt wird. Ferner erfolgt im Beispiel 3 die Fokussierungseinstellung der Abtastlinse durch die Fokussierungseinstellvorrichtung 60, bei welcher der Einstellbereich 70 abhängig vom Ausgangssignal des Lichtempfängerelements 57 bewegt wird.
Das System gemäß Beispiel 3 hat den Vorteil, daß es eine Erfassung der Scharfeinstellung durchführen kann, selbst wenn die Quelle des abbildenden Lichts nicht zur Lichtabgabe aktiviert wird. Es ist jedoch anzumerken, daß falls zwei Lichtstrahlen mit im wesentlichen der gleichen Wellenlänge für die Abbildung und die Erfassung der Scharfeinstellung verwendet werden, Sorge dafür getragen werden muß, daß die Energie des einfallenden Lichtstrahls für die Erfassung der Scharfeinstellung ausreichend unterdrückt werden muß, so daß sie die Qualität des geformten Bildes nicht nachteilig beeinträchtigt.
Beispiel 4
Die Fig. 5 und 6 stellen das Beispiel 4 des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems dar. Bei diesem Beispiel ist zwischen einem Polygonalspiegel 20 und einer Abtastlinse 40 ein polarisierender Strahlungsteiler 59 vorgesehen, um einen Bereich des Lichtstroms aufzunehmen, der vom Polygonalspiegel 20 abgelenkt wird. Der aus dem Halbleiterlaser 51 ausgesandte Lichtstrahl zur Erfassung des Scharfeinstellungszustands wird durch eine Kollimatorlinse 52, einen polarisierenden Strahlungsteiler 53 und ein Lambda-Viertel-Plättchen 54 dem polarisierenden Strahlungsteiler 59 zugeführt. Ein Teil des Strahls wird reflektiert und auf einem Lichtempfängerelement 57 über eine Kondensorlinse 56 fokussiert.
Ein Einfallswinkel des abbildenden Strahls wird relativ zum polarisierenden Strahlungsteiler 59 und der Abtastlinse 40 während der Drehung des Polygonalspiegels geändert, während die Abtastung auf der Bildebene 30 erfolgt. Im Gegensatz hierzu fällt der Steuerstrahl immer unter einem konstanten Winkel auf der Abtastlinse 40 ein und wird in einem zentralen Abschnitt des Hauptabtastbereichs der musterbildenden Bildfläche konvergent gemacht. Somit ist es möglich, die Scharfeinstellung der Abtastlinse 40 gegenüber dem zentralen Abschnitt des Hauptabtastbereichs der Bildebene zu erfassen.
Eine Fokussierungseinstellvorrichtung 60 veranlaßt die Abtastlinse 40, sich in Richtung der optischen Achse entsprechend einem Fokussierungszustand zu bewegen, um dadurch die Scharfeinstellung im Einklang mit der Bildebene einzustellen.
Bei den vier vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden unterschiedliche Erfassungsvorrichtungen für die Scharfeinstellung mit verschiedenen Fokussierungseinstellvorrichtungen kombiniert. Es ist jedoch anzumerken, daß die Kombinationen dieser Vorrichtungen in keiner Weise festliegen und daß beliebige Arten von Erfassungsvorrichtungen für die Scharfeinstellungen mit irgendeiner Bauart von Fokussierungseinstellvorrichtungen kombiniert werden können. Es ist ferner möglich, die nicht-telezentrische Linse als Abtastlinse zu verwenden, obgleich die telezentrische Linse auf der Bildseite verwendet wird. Ferner kann die Abtastlinse aus einem einzigen Linsenelement bestehen, oder aus einer Anzahl Linsenelemente, die eine Kunststofflinse enthalten können.
Wie vorausgehend beschrieben wurde, nimmt das erfindungsgemäße optische Abtastsystem eine Rückkopplung auf der Grundlage der Erfassung des Scharfeinstellungszustands auf der Bildebene mittels eines Strahlpunkts vor, der die Bildebene überstreicht. Da dies gewährleistet, daß jederzeit scharf eingestellte Bilder gezeichnet werden, kann verhindert werden, daß der Strahlpunkt infolge einer Welligkeit, eines Verschwenkens oder anderen Erscheinungen der Bildebene den Scharfeinstellungsbereich verläßt, selbst wenn die Tiefenschärfe des optischen Systems gering ist.

Claims (16)

1. Optisches Abtastsystem mit selbständiger Fokussierung, gekennzeichnet durch:
eine Schreibstrahlquelle (10; 14), die einen Schreibstrahl abgibt;
eine Ablenkvorrichtung, die die Lichtstrahlen der Schreibstrahlquelle ablenkt und zur Abtastung verschwenkt;
eine Abtastlinse (40), mittels welcher die von der Ablenkvorrichtung abgelenkten Lichtstrahlen fokussiert werden, um auf einer Bildebene (30) ein Bild zu erzeugen;
eine Vorrichtung (50) zur Erfassung der Scharfeinstellung, die das von der Bildebene (30) reflektierte Licht über die Abtastlinse erhält, um den Fokussierungszustand der Abtastlinse auf der Bildebene (30) zu erfassen; und
eine Fokussierungseinstellvorrichtung (60), die es ermöglicht, daß die Abtastlinse auf der Bildebene (30) auf der Grundlage des Ausgangssignals der Vorrichtung (50) zur Erfassung der Fokussierung ordnungsgemäß fokussiert wird.
2. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastlinse eine telezentrische Linse umfaßt.
3. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastlinse ein Kunststofflinsenelement enthält.
4. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastlinse ein Kunststofflinsenelement enthält.
5. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur Erfassung der Scharfeinstellung Lichtstrahlen verwendet, die aus der Schreibstrahlquelle (10) austreten, und die durch die Bildebene (30) reflektiert werden.
6. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur Erfassung der Scharfeinstellung Lichtstrahlen verwendet, die aus der Schreibstrahlquelle (10) austreten, und die durch die Bildebene (30) reflektiert werden.
7. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur Erfassung der Scharfeinstellung Lichtstrahlen verwendet, die aus einer Lichtquelle zur Erfassung der Scharfeinstellung austreten, die von der Schreibstrahlquelle (10) verschieden ist und daß sie von der Bildebene (30) reflektiert werden.
8. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur Erfassung der Scharfeinstellung Lichtstrahlen verwendet, die aus einer Lichtquelle zur Erfassung der Scharfeinstellung austreten, und die von der Schreibstrahlquelle (10) verschieden ist, und die durch die Bildebene (30) reflektiert werden.
9. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle für die Erfassung der Scharfeinstellung Licht einer anderen Wellenlänge wie die Schreibstrahlquelle aussendet.
10. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle für die Erfassung der Scharfeinstellung Licht einer Wellenlänge aussendet, das außerhalb des spektralen Empfindlichkeitsbereichs der Bildebene (10) ist.
11. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinstellvorrichtung (60) es gestattet, mindestens einen Teil der Abtastlinse (40) längs der optischen Achse zu bewegen.
12. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinstellvorrichtung (60) es gestattet, mindestens einen Teil der Abtastlinse (40) längs der optischen Achse zu bewegen.
13. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinstellvorrichtung (60) die Bildebene (30) längs der optischen Achse verschiebt.
14. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinstellvorrichtung (60) die Musterbildungsebene (30) längs der optischen Achse verschiebt.
15. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinstellvorrichtung (60) zwischen der Schreibstrahlquelle und der Ablenkvorrichtung (20) vorgesehen ist, um die Parallelität der Lichtstrahlen aus der Lichtquelle einzustellen.
16. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinstellvorrichtung (60) zwischen der Schreibstrahlquelle und der Ablenkvorrichtung (20) vorgesehen ist, um die Parallelität der Lichtstrahlen aus der Lichtquelle einzustellen.
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