DE4401972C2 - Einrichtung zur optischen Abtastung einer Fläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur aktiven optischen Abtastung einer Fläche mittels ei­ nes, wenigstens nahezu punktförmigen Querschnitt aufweisenden, über die Fläche durch einen mechanischen Antrieb bewegbaren Lichtstrahls einer vorzugsweise als Laserdiode ausgebilde­ ten Lichtquelle, und/oder zur passiven optischen Abtastung einer beleuchteten Fläche mittels eines, wenigstens nahezu punktförmigen Querschnitt aufweisenden, über die Fläche durch ei­ nen mechanischen Antrieb bewegbaren Empfangsfensters eines Lichtdetektors unter Verwen­ dung eines bezüglich der abzutastenden Fläche ortsfesten strahlbündelnden optischen Systems. Der Abtastbereich in der Abtastebene soll dabei groß gegen den Bewegungsbereich der mechanisch angetriebenen Elemente sein.

Einrichtungen zur optischen Abtastung einer Fläche sind auch unter den Bezeichnungen Lichtabtaster und Scanner bekannt. Sie finden vielfältig Anwendung, wie unter anderem das Buch "Laser Beam Scanning" von G. F. Marshall (1988, Marcel Dekker Inc., Newyork u. Basel) vor allem in den Abschnitten 1.2, 2.3, 5.2 und 7 zeigt.

Typische Anwendungen für aktive optische Abtaster sind Scanner für Barcode, wo die in ei­ nem Strichmuster codierte Produktinformation mit einem in der Gegenstandsebene fokussier­ ten Laserstrahl abgetastet wird und Laser-Drucker, wo durch die Beschriftung mit einem fein fokussiertem Laserstrahl ein Ladungsmuster auf einer rotierenden, mit Halbleitermaterial be­ schichteten Trommel erzeugt wird, das Farbpartikel anzieht, die auf Papier übertragen und dort unter Wärmeeinwirkung eingeschmolzen werden. Bekannt sind auch Scaneinrichtungen zur hochauflösenden Lithographie. Weitere Anwendungen benutzen das Laserlicht als direkt dem Menschen zugängliche Information, z. B. bei den in der Entertainmentindustrie verwendeten Scannern, die vorgegebene, zum Teil vielfarbige Muster auf einen Groß-Bildschirm schreiben.

Typische Anwendungem für passive optische Scanner sind Lesegeräte für Schrift oder Druck, bei denen das an der Vorlage gestreute Licht einer Beleuchtungsquelle einem optischen Detek­ tor zugeführt wird, dessen nahezu punktförmiges Bildfeld die abzutastende Fläche rasterförmig abtastet. Für derartige aktive oder passive optische Abtastvorrichtungen sind 3 drei technische Lösungswege bekannt:

• 1. Abbilden der abzutastenden Fläche auf ein Array von Lichtsendern oder Lichtdetektoren, wobei die Arrayelemente zeitlich nacheinander oder simultan betrieben werden.
• 2. Abbilden eines nahezu punktförmigen Flächenelements der abzutastenden Fläche auf einen dazu räumlich feststehenden Lichtsender oder Detektor mit einem sehr kleinen, einer wenig­ stens annähernd punktförmigen Begrenzung des Bildfelds auf der abzutastenden Fläche entsprechenden Sende- bzw Empfangsbildfeld, wobei im Abbildungsstrahlengang des strahlbündelnden optischen Systems die Lichtstrahlen zeitlich nacheinander so in ihrer Fortpflanzungsrichtung beeinflußt werden, daß das von ihnen abgetastete Flächenelement die abzutastende Fläche in einem vorgegebenen Muster überstreicht.
• 3. In DE 4 31 889 A1 ist die folgende Lösung beschrieben: Abbilden eines nahezu punktförmigen Flächenelements der abzutastenden Fläche auf einen Lichtsender mit geringem, einer wenigstens annähernd punktförmigen Begrenzung des Bildfelds auf der abzutastenden Fläche entsprechenden Sende-Bildfeld mit Hilfe eines zeitlich in Bezug auf die abzutastende Fläche unveränderlichen optischen Abbildungssystems, wobei der vorzugsweise sehr kleine Lichtsender in einer Ebene senkrecht zur Abbildungsachse bewegt wird, so daß sein Abbild die abzutastende Fläche in einem vorgegebenen Muster überstreicht.

Scanner mit zeitlicher Veränderung des Abbildungsstrahlengangs des strahlbündelnden opti­ schen Systems nach (2) haben heute besonders hohe praktische Bedeutung, da sich mit ihnen, unter Verwendung von Laserlichtquellen, eine sehr hohe Auflösung der Flächenabtastung, bei hoher Abtastgeschwindigkeit, erreichen läßt. Es ist dabei vorteilhaft und auch in vielen An­ wendungen üblich, mit dem gleichen Strahlablenkungssystem auch eine Flächenabtastung des Bildfelds eines Detektorkreises vorzunehmen, da so bei Verwendung eines kleinen Detektore­ lements (Halbleiterdetektor) eine hohe Empfindlichkeit für das von der abzutastenden Fläche gestreute Signallicht erreicht wird.

Die beschriebene Erfindung gehört zur Kategorie (2) der Scanner mit zeitlich veränderlichem Strahlengang. Im Folgenden wird ein aktiver Scanner beschrieben. Der passive Scanner ist dem analog, wobei die Strahlengänge gegenüber dem aktiven Scanner in ihrer Richtung umzukeh­ ren sind und der Lichtsender durch einen Lichtdetektor auszutauschen ist.

Die derzeit zur Anwendung kommenden, derartigen Abtaster verwenden zur Lichtablenkung mechanische Lösungen in Form bewegter Spiegel, vor allem als Drehspiegel mit resonanter oder mit aperiodischer Ansteuerung. Auch Spiegelräder, beispielsweise als Einzelrad für Li­ nienscan oder als Kombination oder in Kombination mit einem Drehspiegel für zweidimensio­ nalen Scan sind in Gebrauch. Es finden auch bewegte sonstige Optikelemente, wie Linsen, holographische Linsen und akustisch erzeugte Beugungsgitter Anwendung. Die Verwendung flexibler Lichtleitfasern oder von Lichtleitfaser-Bündeln wird in US 4,500.204 beschrieben, wobei in dieser Anordnung Scanbereiche abtastbar sind, die klein sind gegen den Bewegungsbereich der Lichtleitfaser.

Als Lichtquelle dient dabei überwiegend ein Laser, der für Informationsgewinnungszwecke meist ein He-Ne-Gaslaser oder ein Diodenlaser ist. Die geringe spektrale Bandbreite und räumliche Kohärenz der abgegebenen Strahlung gestattet dabei, im Vergleich zu konventionellen Lichtquellen, die Erzielung nahezu fehlerfreier (beugungsbegrenzter) optischer Abbildungssysteme mit begrenztem Aufwand und, durch die Verwendung schmalbandiger Filter im Empfangskanal, die weitgehende Unterdrückung von Umgebungslicht-Störungen. Bereits mit Lichtleistungen im Bereich unter 1 mW können so für viele Anwendungen ausreichende Signal-Rauschabstände erreicht werden.

Alle bekannten Verfahren nach (2) zur Abtastung größerer Flächen gehen von einer ortsfesten Laserquelle aus, deren Lichtstrahl durch eine nachgeschaltete Richtungsänderung (Richtungsmodulation) eines nahezu parallelen Strahlenbündels und weitere optische Elemente zu einem Abtaststrahl gestaltet wird. Für ihre Funktionstüchtigkeit erfordern sie durchwegs einen hohen Aufwand an mechanischen Bauelementen. Auch sind sie kompliziert in der Ausführung und in den Ablenkelementen nicht miniaturisierbar.

Diesen Schwierigkeiten läßt sich bei einer Einrichtung zur Ausleuchtung einer Fläche mittels eines wenigstens nahezu punktförmigen Querschnitt aufweisenden, über die Fläche durch einen mechanischen Antrieb bewegbaren Lichtstrahls einer, vorzugsweise als Laserdiode aus­ gebildeten, Lichtquelle, unter Verwendung eines bezüglich der abzutastenden Fläche ortsfesten strahlbündelnden Linsensystems, nach der Erfindung dadurch begegnen, daß das Licht der Lichtquelle der einen Endfläche eines bezüglich der abzutastenden Fläche ortsfesten flexiblen Lichtleiters, vorzugsweise einer Lichtleitfaser zugeführt wird, dessen der abzutastenden Fläche zugewandtes Ende in einer wenigstens nahezu orthogonalen Ebene, bezogen auf die optische Achse des Gesamtsystems, mittels des Antriebs bewegbar und im Bereich zwischen dem einfa­ chen und dem doppelten Wert der Brennweite, dem Brennpunkt zumindest eng benachbart, angeordnet ist, und daß der Abstand (Objektweite) der Strahlungsöffnung der Lichtquelle von dem strahlbündelnden Linsensystem in Abhängigkeit von dessen Abstand (Bildweite) zur aus­ zuleuchtenden Fläche so gering gewählt ist, daß die auszuleuchtende Fläche mittels der Be­ wegung der Lichtquelle mit dem Lichtpunkt überstreichbar ist. Die Ablenkung erfolgt hier, im Gegensatz zu bekannten Lösungen, an einem Ort im Strahlengang des strahlbündelnden optischen Systems mit stark divergierendem Strahlenbündel. Der Bewegungsweg kann bei dieser Lösung sehr klein gehalten werden. So genügt bei einer Lichtwellenlänge von etwa 0,8 Mikrometer für eine Auflösung von etwa 1000 Punkten in der Scan-Ebene eine mechanische Auslenkung des Lichtleiters von etwa 1 Millimeter.

Bei geringeren Ansprüchen kann das optische System eine Sammellinse sein (ohne daß dies im Folgenden jeweils genannt wird, können in bekannter Weise statt Linsensystemen auch Spie­ gelsysteme eingesetzt werden. Da man in den meisten Anwendungen Laserlichtquellen einset­ zen wird, können mit Vorteil statt Linsensystemen auch abbildende holografische Elemente verwendet werden). Dabei ist die Objektweite nur geringfügig größer als die Brennweite zu wählen. Höhere Ansprüche lassen sich dadurch realisieren, daß das optische Linsensystem auf dem der Laserdiode zugewandten Ende mit einer Sammellinse beginnt und die Objektweite so bemessen wird, daß die von der Lichtquelle austretende divergierende Lichtstrahlung in einen Parallelstrahl mit einem Durchmesser von einem Vielfachen des Lichtpunktes umgeformt wird, und daß ein weiteres, den Parallelstrahl in der auszuleuchtenden Fläche auf die Quer­ schnittsfläche des Lichtpunkts konzentrierendes Linsensystem nachgeschaltet wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist nicht nur für den sogenannten 2-dimensionalen Scan geeignet. Sie ist auch für einen sogenannten 3-dimensionalen Scan geeignet, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Antrieb derart ausgebildet ist, daß das bewegte Ende des Lichtleiters geringfügig auch in Richtung der optischen Achse des Gesamtsystems bewegbar ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht es auch den Antrieb so auszugestalten, daß er eine sehr geringe Eigenmasse hat. Das beruht darauf, daß der Lichtleiter, vor allem bei Ausbil­ dung als Lichtleitfaser, bei einer Länge von 2 cm ein Gewicht von nur etwa 1 Milligramm hat. Auch unter Einrechnung zusätzlicher, miniaturisierter Halterungselemente für die Lichtleitfaser kann der mechanische Aufwand für den Antrieb damit sehr klein gehalten werden. Das er­ leichtert die Verwendung hoher Scan-Frequenzen, wie Frequenzen im 10 bis 100 kHz-Bereich, vor allem wenn der Antrieb elektrostatisch, magnetisch oder elektro- und/oder magnetostriktiv ausgebildet wird. Der Antrieb kann dabei auch als resonanter Antrieb ausgebildet sein. Wegen der geringen Abmessungen lassen sich die Eigenschwingungen bei einem erfindungsgemäßen System sehr hoch legen, wodurch das System relativ unempfindlich gegen äußere mechanische Störungen gemacht werden kann. Lichtleitfasern aus Quarz sind mechanisch außerordentlich hoch belastbar und hochelastisch, so daß solche Fasern für die vorgesehene Einrichtung beson­ ders geeignet sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer, Ausführungsbeispiele wiedergebenden Zeich­ nung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt (bei nicht maßstäblichen Abmessungen):

Fig. 1 die Zuordnung von Ort der nahezu punktförmigen, bewegten Endfläche des Licht­ leiters und Abtastpunkt in der Abtastfläche (Scan-Ebene),

Fig. 2 die Lage des flexiblen Lichtleiters für 3 Zeitpunkte während des Bewegungsvor­ gangs sowie den Abbildungsstrahlengang in der Nähe des Abbildungssystems für einen die­ ser Zeitpunkte, dargestellt für einen aktiven Scanner,

Fig. 3 die Lage des flexiblen Lichtleiters für 3 Zeitpunkte während des Bewegungsvor­ gangs sowie den Strahlengang für einen dieser Zeitpunkte in der Nähe des strahlbildenden optischen Systems, dargestellt für einen passiven Scanner,

Fig. 4 eine Anordnung, bei der aktiver und passiver Scan kombiniert sind, unter Verwen­ dung zweier Lichtleiter, von denen der eine einer Lichtquelle, der andere einem Detektor zugeordnet ist,

Fig. 5 eine Anordnung, durch die mittels einer Sammellinse, die sich nahezu im Abstand 5 ihrer Brennweite von der feststehenden Endfläche einer Lichtleitfaser entfernt befindet, eine Anpassung des größeren Strahldurchmessers und des kleineren Öffnungswinkels eines Gaslasers an die Modenstruktur der Lichtleitfaser erfolgt,

Fig. 6 eine Anordnung, durch die mittels einer Sammellinse, die sich nahezu im Abstand ihrer Brennweite von der feststehenden Endfläche einer Lichtleitfaser entfernt befindet, eine Anpassung des kleineren Strahldurchmessers und des größeren Öffnungswinkels einer La­ serdiode an die Modenstruktur der Lichtleitfaser erfolgt,

Fig. 7 eine Ausführung des bewegten Endes der Lichtleitfaser unter Änderung ihrer Wel­ lenleitereigenschaften zur Erzielung eines minimalen Strahldurchmessers am bewegten En­ de,

Fig. 8 eine Ausführung des bewegten Endes der Lichtleitfaser unter Nutzung einer mit­ bewegten Sammellinse zur Erzielung eines minimalen Strahldurchmessers in unmittelbarer Nähe des bewegten Endes,

Fig. 9 eine Anordnung zur Ablenkung des einen Endes eines Lichtleiters mit Hilfe eines Steuerfeldes und zur Bestimmung der Ablenkung mit Hilfe eines Sensors.

Die erfindungsgemäße Ausführung eines Lichtabtasters benutzt, im Gegensatz zu allen bisher bekannten Ausführungsformen für die Abtastung größerer Flächen, einen mechanisch in seiner räumlichen Lage zeitlich veränderten Lichtleiter, bei bezüglich der Abtastebene feststehenden optischen Elementen im nachfolgenden strahlbildenden optischen System.

In DE 43 18 896 A1 sind die physikalischen Gesetzmäßigkeiten erläutert, die für Scanner, die beugungsbegrenzte Laser verwenden, den Zusammenhang zwischen geometrischen Daten und Auflösung beschreiben. Dort sind auch die Nachteile der bisher bekannten Ausführungen von Scannern mit Ablenkung nahezu paralleler Strahlenbündel im strahlbündelnden optischen System aufgeführt.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Strahlengang. Die der abzutastenden Fläche zugewandte Endfläche des Lichtleiters wird durch ein gegenüber der abzutastenden Fläche ortsfestes strahlbildendes optisches System auf die abzutastende Fläche abgebildet. Der Abstand der ab­ zutastenden Fläche vom strahlbildenden optischen System ist groß gegen dessen Brennweite; die Endfläche des Lichtleiters befindet sich zwischen einfacher und doppelter Brennweite, nahe bei der einfachen Brennweite. Der Abstand des Abtastpunktes von der optischen Achse ist dann, entsprechend dem Abbildungsverhältnis, groß gegen den Abstand der Lichtleiter-End­ fläche von der optischen Achse. Der Durchmesser des Abtast"punktes" ist, bei beugungsbe­ grenzter Abbildung, im gleichen Verhältnis größer als der minimale Strahldurchmesser in der Nähe der Endfläche des Lichtleiters. Bewegt sich die Endfläche des Lichtleiters um einen klei­ nen Betrag senkrecht zur optischen Achse des System, so wandert der Abtastpunkt um einen um das Abbildungsverhältnis vergrößerten Betrag in der Abtastebene.

Danach ist für die beschriebene Einrichtung bei fehlerfreier, den Strahl nicht begrenzender Abbildungsoptik die Punktgröße des Abtaststrahls in der Abtastebene (die sekundäre Strahl­ taille) allein durch den primären Taillendurchmesser in der Nähe der bewegten Grenzfläche des Lichtleiters und durch das Abbildungsverhältnis des strahlbündelnden optischen Systems be­ stimmt. Die Auflösung in der Abtastebene (die Anzahl der in einer Richtung unterscheidbaren Abtastpunkte) ist gleich der maximalen Auslenkung der bewegten Grenzfläche des Lichtleiters, dividiert durch den minimalen Taillendurchmesser in der Nähe der bewegten Grenzfläche des Lichtleiters.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie bei Einspeisung des Lichts einer Lichtquelle in eine mit einer Endfläche starr dazu angeordneten flexiblen Lichtleitfaser das andere Ende zeitlich nacheinan­ der 3 unterschiedliche räumliche Lagen in einer Ebene senkrecht zur Achse des strahlbündeln­ den optischen Systems einnimmt. Für eine dieser Lagen ist dargestellt, wie das Eingangsele­ ment des strahlbündelnden optischen Systems daraus ein Strahlenbündel mit einer mittleren Richtung schräg zur Achse des strahlbündelnden optischen Systems formt, das, bei geringer Konvergenz, in einer gegen die Brennweite großen Entfernung in der Abtastebene einen Licht"punkt" (die sekundäre Strahltaille) bildet. Das Ende der Lichtleitfaser befindet sich dabei zwischen einfacher und doppelter Brennweite der Linse, sehr nahe an der einfachen Brenn­ weite.

In Fig. 3 ist die Anordnung analog für den Fall eines passiven Scanners dargestellt. Es gelten die gleichen optisch/geometrischen Gesetzmäßigkeiten wie beim aktiven Scanner, bei umge­ kehrtem Strahlengang. Die abzutastende Fläche wird mit einer hier nicht näher zu beschreiben­ den Lichtquelle beleuchtet. Das Licht eines kleinen Flächenelements wird durch die Einrichtung dem Detektor zugeführt. Der Ort des abgetasteten Flächenelements verlagert sich mit der Be­ wegung des Lichtleiters entsprechend dem Abbild seiner Endfläche in der Abtastebene.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der ein aktiver und ein passiver Scanner kombiniert sind und zwar derart, daß die jeweils abgetasteteten Flächenelemente in der Abtastebene sehr nahe bei­ einanderliegen, analog zu der engen Nachbarschaft der bewegten Endflächen der beiden Licht­ leiter. Bei rein geometrischer Betrachtungsweise könnte man annehmen, daß der Detektorkreis dabei kein von der Abtastfläche reflektiertes Licht empfängt, da die beiden Abtastelemente, strahlengeometrisch gesehen, nebeneinander liegen. Tatsächlich sorgen aber die Beugung, ebenso wie unvermeidliche Fehler in der Abbildungsoptik dazu, daß ein gewisser Überlapp auftritt. Der Vorteil, dieser einfachen Anordnung ist, daß es damit möglich ist, einen sehr klei­ nen Lichtdetektor für die zeitlich nacheinander erfolgende Beobachtung eines großen Bildfel­ des in der Abtastebene zu verwenden und daß nur die Fläche in der Abbildungsebene beobach­ tet wird, die zu einem gegebenen Zeitpunkt mit hoher Intensität beleuchtet wird. Dies führt zu einem hohen Signal-Störverhältnis und zu geringer benötigter Lichtleistung

Günstiger ist es, die Anordnung so zu wählen, daß die Abbildungsbereiche von Sender und De­ tektor in der Abbildungsebene tatsächlich zusammenfallen, am einfachsten dadurch, daß die Funktion der beiden Lichtleiter in einem Element integriert wird. Dies ist in vielfältiger, in der Technik geläufiger Weise möglich. Ein grundsätzlicher Weg ist, eine einzige Lichtleitfaser zu verwenden und nach dem festen Ende Sende- und Empfangslicht geometrisch/optisch zu tren­ nen. Dies gelingt zum Beispiel mit einem Strahlteiler, mit einer Polarisationsweiche oder mit einem Gyrator. Ein zweiter Weg besteht darin, die beiden gegenläufigen Lichtwellen im Licht­ leiter selbst durch wellenleitertypische Konfigurationen, wie z. B. 3 dB-Koppler, aufzutrennen.

Eine besonders einfache Anordnung ergibt sich bei Verwendung eines Laseroszillators als Lichtquelle, vorzugsweise eines Diodenlasers. In einer Einrichtung nach Anspruch 1 wird das in der Abtastebene beleuchtete Flächenelement wiederum auf den Ausgang der Lichtquelle ab­ gebildet. An dem beleuchteten Flächenelement gestreutes Licht gelangt daher zu dem Bruch­ teil, der durch den Öffnungswinkel des Abbildungssystems, geteilt durch den des Halbraums zusammen mit der Rückstreucharakteristik der Materialoberfläche bestimmt ist, zurück zum Laseroszillators. Laser-Lichtquellen sind in ihrem Schwingungsverhalten und auch in ihren elektrischen Parametern empfindlich gegenüber optischer Rückkopplung und diese Empfind­ lichkeit kann durch geeignete Maßnahmen, wie z. B die Wahl der Reflexion der Laserspiegel, beeinflußt werden. Es genügt ein sehr geringer Prozentsatz an so erzeugter optischer Rück­ kopplung, um die Ausgangsleistung und/oder die Frequenz der Laserstrahlung meßbar zu mo­ dulieren und um bei Diodenlasern deren elektrische Impedanz meßbar zu verändern. Der Laser kann daher gleichzeitig als Lichtsender und als Sensor für die örtliche Oberflächenreflexion be­ nutzt werden, unter Verwendung nur einer Lichtleitfaser und ohne daß zusätzliche Vorrich­ tungen zur Trennung der beiden Lichtwellen mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung er­ forderlich sind.

Ein für die Zwecke der Erfindung besonders geeigneter Lichtleiter ist eine Lichtleitfaser, beim Stand der Technik bevorzugt aus Quarzglas. Der das Licht führende Kern einer Lichtleitfaser hat einen größeren Brechungsindex für das geführte Licht als der Mantel. Dies führt dazu, daß das im freien Raum unvermeidliche Auseinanderlaufen des Strahldurchmessers in Ausbrei­ tungsrichtung vermieden wird.

Von besonderer technischer Bedeutung sind Monomode-Fasern, die so dimensioniert sind, daß sich in ihnen nur eine einzige Lichtleiter-Mode ausbreiten kann, die im freien Raum einer beugungsbegrenzten Lichtwelle entspricht. Heute übliche Monomodefasern aus Quarzglas ha­ ben für Licht einer Wellenlänge im Bereich um 1 Mikrometer die folgenden Materialparameter:
Brechungsindex_Kern = n_K = 1,4585
Brechungsindex_Mantel n_M = 1,4540

Dies führt für eine Lichtleitfaser, die nur für den Grundmode durchlässig ist, zu einem Kern­ durchmesser von rund 8 Mikrometer bei rund 1 Mikrometer Lichtwellenlänge.

An sich würde es aus optischen Gründen genügen, den Manteldurchmesser nur um ein geringes Vielfaches größer als den des Kerns zu wählen. Aus Gründen der praktischen Handhabbarkeit verwendet man üblicherweise Außendurchmesser der ummantelten Faser von 100 bis 200 Mi­ krometer. Dies ist in Fig. 5 dargestellt

Die so hergestellte Faser wird meist noch mit einem dünnen Überzug aus einem Kunststoff umhüllt, welcher die mechanische und chemische Belastbarkeit verbessert.

Am Ende der Lichtleitfaser entfällt die Führungseigenschaft und der Lichtstrahl breitet sich im freien Raum hyperbolisch aus, wobei bei ebener Begrenzungsfläche die Grenzfläche des Licht­ leiters das Minimum des Hyperpoloids (eine Strahltaille) darstellt.

Der asymptotische Ausbreitungswinkel im freien Raum folgt den Beugungsgesetzen und ist demnach umgekehrt proportional zu dem minimalen Durchmesser des Lichtstrahls in der Nähe der Austrittsfläche der Faser. Für die genannte Monomodefaser mit einem Kerndurchmesser von 8 Mikrometer beträgt er für Licht einer Wellenlänge von rund 1 Mikrometer rund 6 Grad. Dieser Winkel α ergibt sich aus der Beziehung

Entsprechend den Ausbreitungsgesetzen beugungsbegrenzter Lichtwellen ist im freien Raum das Produkt aus dem Durchmesser der Strahltaille und dem asymptotischen Öffnungswinkel des sich durch die Beugung aufweitenden Strahlenbündels bei gegebener Wellenlänge eine Konstante. In Fig. 5 ist dargestellt, wie der Strahl eines Gaslasers mit vergleichsweise großem Durchmesser und kleinem Öffnungswinkel mittels einer Sammellinse an den kleinen Kerndurch­ messer und den größeren Öffnungswinkel einer Lichtleitfaser und damit an die Modenstruktur der Faser, angepaßt wird. Die Möglichkeit dieser Anpassung ist bei beugungsbegrenztem Licht stets gesichert.

Eine für die Zwecke der Erfindung besonders geeignete Lichtquelle ist eine Laserdiode. In ei­ ner solchen Laserdiode entsteht das Licht als geführte Welle in einem Wellenleiter, der aus Halbleiterschichten unterschiedlichen Brechungsindexes gebildet wird. Da die Brechungsindex- Unterschiede bei diesen Halbleitermaterialien sehr groß im Vergleich zu Quarzglas sind und der Brechungsindex im Kern groß gegen den von Quarz, ist die Dicke des Wellenleiters kleiner als die Lichtwellenlänge in Luft. Die Abstrahlung von Halbleiterlasern an der Grenzfläche zu Luft erfolgt daher mit einem sehr großen Ausbreitungswinkel, von etwa 40 Grad.

Licht mit einem so großen Öffnungswinkel kann nicht vollständig in eine Quarz-Monomodefa­ ser eingekoppelt werden, da deren Akzeptanzwinkel nur rund 6,6 Grad ist. Durch ein optisches System, im einfachsten Fall durch Krümmung der Endfläche der Faser, allgemeiner durch Ver­ wendung einer Linse, können Öffungswinkel und Eintrittsdurchmesser des Strahls wiederum an die Wellenleitereigenschaften der Faser angepaßt werden, da Halbleiterlaser beugungsbe­ grenzt sind. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.

Bei geringeren Anforderungen an die Auflösung können auch Lumineszenzdioden als Licht­ quellen eingesetzt werden, die zwar relativ kleine Lichtquellen sind, aber nicht beugungsbe­ grenzt. Man könnte nur unbedeutende Teile ihres Lichts in eine Monomodefaser einkoppeln. In diesem Fall wird man als Lichtleitfaser sogenannte Multimodefasern verwenden, die bei einem Kerndurchmesser von zum Beispiel 100 Mikrometern besser an die Richtungsunschärfe der ausgesandten Strahlung angepaßt sind.

Bei beugungsbegrenztem Licht, also bei der Verwendung von Laserlichtquellen und Monomo­ defasern, ist es auch bei einem gegen die Lichtwellenlänge relativ großen Kerndurchmesser in der beschriebenen Anordnung möglich eine Auflösung des Scanners zu erreichen, die einem Kerndurchmesser von rund 1 Lichtwellenlänge entspricht (dies ist der allgemein durch die Beugung bestimmte Grenzwert).

In Fig. 7 wird dies dadurch erreicht, daß die Lichtleitfaser in der Nähe der bewegten Endflä­ che so verjüngt wird, daß der Durchmesser der Austrittsöffnung in die Größenordnung der Lichtwellenlänge kommt. Gleichzeitig wird der Mantel so verjüngt, daß die Wellenleitereigen­ schaften stetig in die eines unmittelbar an Luft anschließenden Kerns übergehen. Ein solcher Wellenleiter hat wegen des hohen Sprungs des Brechungsindex an der Begrenzungsfläche ei­ nen Monomodedurchmesser von rund 1 Wellenlänge.

Nach Fig. 8 ist es mit beugungsbegrenztem Licht möglich, auch nach dem Austritt aus einem Lichtleiter mit einem gegen die Wellenlänge relativ großen Kerndurchmesser durch Vergröße­ rung des Öffnungswinkels die Auflösung bis zur Beugungsgrenze zu erhöhen. Mit der mit opti­ schen Elementen praktisch erreichbaren Grenze von etwa 45 Grad kann eine Taille von rund 1 Mikrometer Durchmesser, entsprechend einer Wellenlänge, erzielt werden. In Fig. 8 wird die Aufweitung durch eine integrierte Sammellinse erreicht, wie sie zum Beispiel durch Endflä­ chenätzung hergestellt werden kann. Der Mantel ist in unmittelbarer Nähe zur Grenzfläche ent­ fernt, um so kleine Krümmungsradien herstellen zu können. In diesem Fall einer konvexen Endfläche liegt die Taille außerhalb der Faser. Bei Verwendung einer konkaven Endfläche läge die virtuelle Taille innerhalb der Faser.

Wichtig ist dabei, daß die verkleinerte Strahltaille durch ein mit dem Lichtleiter mitbewegtes optisches System erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist damit optisch und mechanisch wesentlich einfacher als die bekannten Ausführungen mit zeitlicher Änderung der Richtung eines nahezu parallelen Strahlenbündels im strahlbildenden optischen System. Wegen der Ablenkung eines sehr diver­ genten Strahls kann die bei Ablenkung von nahezu parallelen Lichtstrahlen notwendige, geson­ derte Aufweitungsoptik entfallen. Ein Ablenksystem mit großer Öffnung kann entfallen, da die Ablenkung am Ort einer Strahltaille erzeugt wird. Zur Auflösung zweier Scanpunkte in der Scanebene genügt eine Auslenkung der Antriebseinheit um den Betrag der Strahltaille. Mit der beschriebenen Einrichtung ist diese im Grenzfall von der Größe der Lichtwellenlänge. Bei den heute üblichen Laserdioden mit einer Emission bei 0,8 µm beträgt die Minimalauslenkung rund 1 µm. Für eine Auflösung von 1000 Punkten in der Scanebene, was bereits über die übliche Fernsehnorm hinausgeht und die meisten Anwendungen abdeckt, ist also eine maximale seitliche Verschiebung des ausgangsseitigen Lichtleiterendes von etwa 1 mm ausreichend.

Wird das Faserende linear und annähernd senkrecht zur optischen Achse des Systems bewegt, so überstreicht in der Scanfläche der Lichtpunkt eine Gerade in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse. Man erhält damit einen linearen Scanner.

Wird das Faserende in einer Fläche, nach einem vorgegebenen Muster bewegt, so überstreicht der Scanpunkt in der Scanfläche ein dem Muster analoges zweidimensionales Muster. Man er­ hält einen zweidimensionalen Scanner.

Wird das Ende der Lichtleitfaser längs der optischen Achse bewegt, dann wandert der Scan­ punkt längs der optischen Achse. Wird das Faserende dabei auch in einer oder in beiden senk­ recht zur optischen Achse stehenden Richtungen bewegt, dann variiert die Scanfläche in der Tiefe. Man erhält dann einen dreidimensional arbeitenden Scanner. Damit läßt sich beispiels­ weise die Aufgabe lösen, ein zweidimensionales Muster, wie einen Barcode, mit höchster Auflösung zu erkennen, wenn die Lage der Ebene, in der der Barcode sich befindet, innerhalb gewisser Grenzen variieren kann. Man kann also mit dem Scanner in vorteilhaft einfacher Weise nacheinander in verschiedenen Tiefenbereichen linear und/oder flächenhaft abtasten.

Für die Auslenkung der Faser lassen sich alle Antriebe verwenden, die nach dem Stand der Technik bekannt sind. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung liegt darin, daß durch die Verwendung einer Lichtleitfaser nur eine minimale Masse bewegt werden muß und die Auslenkung der bewegten Masse seht klein ist, so daß auch der Aufwand für den Antrieb sehr gering ist.

Um den Vorteil der geringen bewegten Masse nutzen zu können, sind jedoch solche Antriebe von besonderem Vorteil, die sich ebenfalls leicht miniaturisieren lassen, zumal nur sehr kleine Auslenkungen notwendig sind. Besonders einfach ist dies mit resonanten Antrieben möglich, bei denen die Faser auf einem schwingungsfähigen System geringer Masse befestigt ist. Durch die Auswahl und die Ausgestaltung des Schwingsystems lassen sich auch unterschiedliche ört­ liche und zeitliche Auslenkungsformen realisieren. Dabei ist es vorteilhaft auf die Oberfläche des Schwingers zumindestens in der Nähe des bewegten Endes dünne elektrisch leitfähige, magnetische oder piezoelektrische Schichten aufzubringen, durch deren Anregung der Schwin­ ger angetrieben wird und/oder durch die Positionssignale an feststehende Sensoren abgegeben werden und/oder durch die eine Stabilisierung der Bewegungskurven erreicht wird.

Es ist möglich, den Lichtleiter selbst als resonant mechanisch schwingendes System auszubil­ den. Eine Beispiel einer solchen Anordnung ist in Bild 9 angegeben. Die Lichtleitfaser 1 ist in der Nähe des beweglichen Endes mit einem magnetischen Material, z. B. mit Nickel dünn be­ schichtet. An einem Ende ist sie starr in eine Halterung 3 eingeklemmt. Mit dem magnetischen Feld einer Spule 4 wird die Faser aus ihrer Ruhelage ausgelenkt. Ein Halleffekt-Sensor 5 be­ stimmt durch die Messung des mit der Lage von 2 sich ändernden Magnetfelds die Position der Faser. Über eine nicht eingezeichnete Regelelektronik kann entweder eine periodische Schwingung der Faser angeregt werden, oder eine aperiodische Positionssteuerung erfolgen. Die Anordnung ist in einfacher Weise auf eine zweidimensionale Ablenkung erweiterbar.

Der Antrieb eines solchen Systems ist in vielfältiger, in der Technik geläufiger Weise, reali­ sierbar, z. B. elektromagnetisch, elektrodynamisch oder piezoelektrisch, beispielsweise unter Ausbildung einer schwingenden Trägerzunge als sogenannter piezoelektrischer Bimorph. In der DE 43 18 896 A1 sind Beispiele angegeben, die auf die beschriebene Einrichtung direkt übertragbar sind.

Es ist auch eine extreme Miniaturisierung möglich. Eine Möglichkeit besteht darin, daß eine nur wenige Mikrometer starke Zunge mittels Fotolithographie nach der Technik der Mikrome­ chanik aus massivem, Material, z. B. aus einem Halbleitermaterial, geätzt wird. Dabei kann auch der Lichtleiter als planares Element mit der gleichen photolithographischen Technik her­ gestellt werden. Eine Integration von Laserdiode, Lichtleiter, Schwingungssystem und Halb­ leiterdetektor im gleichen Halbleiter-Grundmaterial nach den Methoden der Mikrosystem­ technik ist möglich. Schließlich ist es auch möglich, den bewegten Lichtleiter selbst als Laser, z. B. nach Art eines Faserlasers auszubilden, dem von der feststehenden Lichtquelle Pumpe­ nergie zugeführt wird.

Die vorstehend erwähnten zwei- und dreidimensionalen Scanner lassen sich auch durch Kom­ bination mehrerer getrennter Antriebssysteme realisieren. Bei einem solchen System muß im allgemeinen ein Antriebssystem, das ein zweites Antriebssystem trägt, wesentlich träger, also z. B massereicher, sein als dieses, um ein eindeutiges Bewegungsverhalten sicherzustellen. Das ist bei den meisten Anwendungen möglich, da z. B. bei einem Zeilenrasterverfahren, ähnlich dem Fernsehen, die beiden Dimensionen mit sehr unterschiedlicher Frequenz durchlaufen werden (< 20 Hz für den Bildwechsel, < 10 000 Hz für die Zeilenabtastung). Es sind aber auch zweidimensional arbeitende Antriebe realisierbar, bei denen in beiden Auslenkungsrich­ tungen bzw. Dimensionen hohe Frequenzen möglich sind. Dies ist besonders einfach, wenn der Lichtleiter oder sein Träger selbst als mehrdimensional schwingungsfähiges oder aperiodisch ablenkbares Element eingesetzt wird.

In manchen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Beschriftung mit Scannern, ist eine ape­ riodische Scanbewegung nach einem vorgegebenen Muster notwendig. In diesem Fall muß der Lichtleiter aperiodisch angetriebenen werden. Die besonders einfachen resonanten Antriebe erfüllen diese Forderung nicht. Allerdings sind grundsätzlich die für resonante Antriebe ge­ nannten Systeme dann einsetzbar, wenn sie mit einer so hohen Dämpfung versehen werden, daß sie ihre Resonanzeigenschaften verlieren.

Gut geeignet sind für aperiodische Ansteuerungen auch elektrostatische, piezoelektrische oder elektrodynamische Antriebe, wie sie aus der Technik von Lautsprechern und von Leseköpfen von Datenspeichern, wie Floppy-Disks und Festplatten an sich bekannt sind. Sie sind nur ent­ sprechend geometrisch zu verkleinern. Auf diese Weise lassen sich bei den notwendigen Aus­ lenkungen Grenzfrequenzen im Bereich 10 bis über 100 kHz erreichen. Auch ist es möglich, relativ große Massen zu bewegen, so daß die vorstehend erwähnte Kombination von zwei oder drei Antrieben zur Erzielung eines zweidimensionalen oder dreidimensionalen Scans keine wesentlichen Schwierigkeiten bereitet. Eine hierfür anwendbare Technik ist die des Lesekopfs in den bekannten CD-Playern, bei denen ein erster Antrieb den Lesekopf auf die vorgegebene Stelle der CD-Scheibe positioniert, bei Auslenkungen von rund 5 cm, und ein zweiter Antrieb die Höhe des Lesekopfes über der CD-Scheibe sicherstellt, bei Auslenkungen von rund 1 mm.

Geeignet sind als aperiodische Antriebe auch die technisch weit entwickelten "stepper-Moto­ ren" in miniaturisierter Form. Es sind dies impulsweise angesteuerte Antriebe, bei denen dem einzelnen Impuls ein bestimmter Drehwinkel des Rotors zugeordnet ist. Über die Impulsfolge ist jede beliebige Bewegungsform einstellbar. Sie sind auch als "Linearmotoren" ausführbar.

Die erfindungsgemäße Anordnung führt, bei Verwendung einer monochromatischen, Laser- Lichtquelle zu vergleichsweise geringen Anforderungen an die optischen Elemente des strahlbildenden optischen Systems. Die Monochromasie und die Punktförmigkeit der Quelle macht die Korrektur von optischen Fehlern der abbildenden Elemente bei hoher Apertur (bei hohem Öffnungswinkel der Strahlenbündel) relativ einfach und den Einsatz hochselektiver op­ tischer Filter zur Unterdrückung von Fremdlicht möglich. Dem kommt zusätzlich die, im Ver­ gleich zu den bekannten Scannern, geringere Anzahl der im Strahlengang benötigten optischen Elemente entgegen.

Claims (11)

1. Einrichtung zur optischen Abtastung einer Fläche mittels eines wenigstens nahezu punkt­ förmigen Querschnitt aufweisenden, über die Fläche durch einen mechanischen Antrieb be­ wegbaren Lichtstrahls einer vorzugsweise als Laser ausgebildeten Lichtquelle, unter Verwen­ dung eines bezüglich der abzutastenden Fläche ortsfesten strahlbündelnden optischen Sy­ stems, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung der Lichtquelle einem flexiblen Lichtleiter, vorzugsweise einer Lichtleitfaser, zugeführt wird, dessen eines Ende ortsfest zur Lichtquelle angeordnet ist, während das andere Ende in einer wenigstens nahezu orthogonalen Ebene, bezogen auf die optische Achse des strahlbündelnden optischen Systems, mittels eines Antriebs bewegbar und im Bereich zwischen dem einfachen und dem doppelten Wert der Brennweite des strahlbündelnden optischen Systems, der Brennebene zumindest eng benachbart, angeordnet ist und daß der Abstand (Objektweite) der Strahlungsöffnung des Lichtleiters von dem strahlbündelnden optischen System in Abhängigkeit von dessen Abstand (Bildweite) zur auszuleuchtenden Fläche so gering gewählt ist, daß die auszuleuchtende Fläche durch die Bewegung des einen Endes des Lichtleiters mit dem Lichtpunkt überstreichbar ist.

2. Einrichtung zur optischen Abtastung einer beleuchteten Fläche mittels eines wenigstens nahezu punktförmigen Querschnitt aufweisenden, über die Fläche durch einen mechanischen Antrieb bewegbaren Empfangsfenster eines vorzugsweise als Halbleiterdetektor ausgebilde­ ten Lichtdetektors, unter Verwendung eines bezüglich der abzutastenden Fläche ortsfesten strahlbündelnden optischen Systems, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlung der be­ leuchteten Fläche einem flexiblen Lichtleiter, vorzugsweise einer Lichtleitfaser, zugeführt wird, dessen eines Ende ortsfest zu dem Lichtdetektor angeordnet ist, während das andere Ende in einer wenigstens nahezu orthogonalen Ebene, bezogen auf die optische Achse des strahlbildenden optischen Systems, mittels eines Antriebs bewegbar und im Bereich zwischen dem einfachen und dem doppelten Wert der Brennweite des strahlbündelnden optischen Sy­ stems, dem Brennpunkt zumindest eng benachbart, angeordnet ist und daß der Abstand (Objektweite) der Empfangsöffnung des Lichtleiters von dem strahlbündelnden optischen Sy­ stem in Abhängigkeit von dessen Abstand (Bildweite) zur auszuleuchtenden Fläche so gering gewählt ist, daß die beleuchtete Fläche durch die Bewegung des einen Endes des Lichtleiters mit dem Empfangsfenster überstreichbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb derart aus­ gebildet ist, daß das bewegte Ende des Lichtleiters geringfügig auch in Richtung der opti­ schen Achse bewegbar ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden bewegten Enden eines lichtaussendenden ersten Lichtleiters nach Anspruch 1 und ei­ nes lichtempfangenden zweiten Lichtleiters nach Anspruch 2 mit Hilfe des gleichen Antriebs bewegt werden, wobei die beiden bewegten Enden bezüglich der Achse des strahlbildenden optischen Systems in gleichbleibendem Abstand, bevorzugt eng benachbart, angeordnet sind

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen der beiden Lichtleiter in einem einheitlichen Bauelement integriert sind und daß wenigstens am nichtbe­ wegten Ende des Bauelements Mittel zur örtlichen Trennung der in entgegengesetzte Rich­ tung laufenden Sende- und Empfangsstrahlung vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwirkung des von der auszuleuchtenden Fläche zurückgestrahlten Lichtes auf die elektrischen Betriebsparameter und/oder die Schwingungseigenschaften eines als Lichtquelle verwendeten Laseroszillators, vorzugsweise einer Laserdiode, registriert und als Maß für die örtlichen Reflexionseigen­ schaften der auszuleuchtenden Fläche ausgewertet wird

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung der Lichtquelle dem ihr zugewandten Ende der Lichtleitfaser so zugeführt wird, daß sie in den Lichtleiter nahezu vollständig, bevorzugt in dessen Grundmode, eingespeist wird.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Ende des lichtabstrahlenden Lichtleiters so bemessen wird, daß die Abstrahlung in Richtung zur auszuleuchtenden Fläche wenigstens nahezu vollständig, bevorzugt aus dem Grundmode des Lichtleiters, erfolgt.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegte, lichtabstrahlende Lichtleiter wenigstens in der Nähe des abstrahlenden Endes so ge­ staltet und/oder mit optisch wirksamen Zusatzkomponenten ausgestattet wird, daß die abge­ strahlte Lichtwelle in der Nähe der bewegten Endfläche einen gegenüber der Eingangsseite des Lichtleiters deutlich verringerten Strahldurchmesser aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegte, lichtab­ strahlende Lichtleiter wenigstens in der Nähe des abstrahlenden Endes so gestaltet und/oder mit optisch wirksamen Zusatzkomponenten ausgestattet wird, daß die abgestrahlte Lichtwelle in der Nähe der bewegten Endfläche einen Strahldurchmesser aufweist, der ein geringes Viel­ faches der Lichtwellenlänge ist, vorzugsweise nahezu gleich der Lichtwellenlänge ist.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Leuchtdiode, vorzugsweise eine Laserdiode ist