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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen strahlenbrechenden optischen
Deflektor zur Verwendung in optischem Abtasten und anderen Anwendungen.
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Es
gibt zwei grundlegende Arten der optischen Abtastung, nämlich Eingabescannen
und Ausgabescannen.
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Eingabescannen
findet statt, wenn ein bestehendes Bild, wie z. B. auf Zelluloidfilm
oder Papier, ein Zielbild bildet. Das Zielbild wird beleuchtet und elektromagnetische
Strahlung, wie z. B. Licht, die vom Zielbild reflektiert oder durch
es hindurchgelassen wird, wird in eine Maschine eingescannt und dann
digitalisiert. Allgemeine Beispiele sind z. B. Faxgeräte und an
Computer angeschlossene Scanner.
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Ausgabescannen
ist der umgekehrte Vorgang zum Eingabescannen. Im Fall des Ausgabescannens
wird ein Zielobjekt in der Form einer lichtempfindlichen Folienplatte,
eines lichtempfindlichen Papierbogens oder einer anderen strahlungsempfindlichen
Vorrichtung einer stark fokussierten und modulierten Strahlungs-(Licht-)quelle ausgesetzt,
die das Zielobjekt überquert
oder abtastet, wodurch ein Bild auf das Ziel aufgedruckt wird.
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Konventionelle
Technologie zum Belichten eines Bilds auf einer lichtempfindlichen
Platte beim Ausgabescannen beginnt mit einer Lichtquelle, wie z. B.
einem Laser oder einer lichtemittierenden Diode, die einen feinen
parallel gerichteten Strahl emittieren kann. In dem Fall, dass das
Bild eine hohe Qualität haben
muss, wird der Laserstrahl zunächst
durch einen Strahlaufweiter aufgeweitet und anschließend von
einem rotierenden oder schwingenden Strahlendeflektor reflektiert,
wie z. B. einem rotierenden Polygon- oder einem Galvanometer-Deflektor.
Der Deflektor bewirkt, dass der Strahl an einer Bildebene entlang
abtastet, wenn auch mit einer radialen Brennebene. Schließlich wird
der Strahl im Allgemeinen durch eine telezentrische feldabflachende
Linse oder eine als F-theta- Linse
bekannte Speziallinse geleitet, die das Licht durch Verlängern der
Brennweite in Richtung auf die Peripherie der Abtastung auf eine flache
Brennebene fokussiert.
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Es
gibt mehrere Möglichkeiten,
wie das Eingabescannen bewirkt werden kann, um ein Zielbild in einen
Computer oder dergleichen einzuscannen. Wenn hochauflösende Bildbearbeitung
erfordert ist, setzt ein typischer Eingabescanner einen Laser als Strahlungs-(Licht-)quelle
ein. Für
dreifarbige Bildbearbeitung können
auch tatsächlich
drei Laser verschiedener Frequenzen verwendet werden. Im Fall eines
Trommelscanners ist ein Zielbild in der Form einer Folie oder dergleichen
auf einer zylindrischen Trommel angebracht, die um ihre Achse gedreht wird.
Die Laser bleiben fixiert, wobei ihre Strahlen auf dem Zielfilm
fokussiert sind. Die sich drehende (oder rotierende) Trommel vermeidet
die Notwendigkeit eines Deflektormechanismus. Wenn das Laserlicht durch
die Folie geht, wird die Intensität des Strahls gemäß der Opazität der Folie
gedämpft
und der durchgelassene Strahl wird von unbeweglichen Detektoren,
wie z. B. Photodioden, erfasst. Die Ausgabe von den Detektoren wird
digitalisiert und an den Computer gesendet.
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Ein
optischer Deflektor und Strahlungsteiler ist aus GB-A-2 324 168
bekannt, der eine Anordnung rotierender Linsen umfasst, die einen
optischen Strahl durchqueren, um eine unidirektionelle Abtastung
bereitzustellen.
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GB-A-445
938 beschreibt ein Abtastsystem, bei dem optisches Scannen mithilfe
einer Öffnungsblende
oder -blenden bewirkt wird, die mithilfe der Linsen eines Abtastelements
mit zylindrischen Linsen optisch auf eine abzutastende Fläche projiziert wird.
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Es
ist ein Nachteil bekannter Ein- und Ausgabescanner, dass die optischen
Deflektoren, die sie aufweisen, eine beträchtliche Zahl von optischen
und mechanischen Bauteilen erfordern, was eine ungewünschte Komplexität und verschlechterte
optische Leistung zur Folge hat.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen
Deflektor bereitzustellen, der die Nachteile bekannter Deflektoren überwindet oder
zumindest verringert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein optischer Deflektor vorgesehen, umfassend eine
ablenkende Linse mit einer ersten asphärischen Linsenfläche positiver
optischer Leistung und mit einer ersten Brennweite, die einen ersten
Brennpunkt verursacht, und mit einer zweiten asphärischen
Linsenfläche
positiver optischer Leistung und mit einer zweiten Brennweite, die
einen zweiten Brennpunkt verursacht, wobei die erste Brennweite
kürzer
als die zweite Brennweite ist, wodurch ein divergenter Lichtstrahl im
Wesentlichen an dem ersten oder dem zweiten Brennpunkt von der Linse
an dem jeweils anderen Brennpunkt fokussiert wird, Mittel zum Drehen
der Linse um eine Achse, die im Wesentlichen lotrecht zu einer optischen
Achse der Linse ist und im Wesentlichen mit dem ersten oder dem
zweiten Brennpunkt zusammenfällt,
und eine fokussierende Linse, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende
Linse in einem Strahlengang bereitgestellt ist, der sich auf derjenigen
Seite des ersten Brennpunktes erstreckt, die von der ablenkenden
Linse fern ist, und einstellbar ist, um die Tiefe des zweiten Brennpunktes
zu ändern.
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Die
Anordnung kann dergestalt sein, dass ein Strahlengang zwischen dem
ersten und dem zweiten Brennpunkt nur eine einzelne drehbare ablenkende
Linse aufweist.
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Die
fokussierende Linse kann mithilfe von piezoelektrischen Stellern
einstellbar sein.
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Die
ablenkende Linse kann zum Vergrößern der
Strahldivergenz bei zunehmendem Abtastwinkel geformt sein. Die oder
jede ablenkende Linse kann kontinuierlich um die Achse drehbar sein.
Alternativ kann die oder jede ablenkende Linse um die Achse hin-
und herbewegbar sein.
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Die
ablenkende Linse kann rotationssymmetrisch oder zylinderasphärisch sein.
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Die
Fokussierlinse kann so sein, dass ein divergierender Strahl, der
im Wesentlichen am ersten Brennpunkt fokussiert ist, auf der Seite
des Fokussiermittels, die von der ablenkenden Linse fern ist, parallel
gerichtet (kollimiert) wird.
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Auf
der von der ablenkenden Linse fernen Seite der fokussierenden Linse
kann sich wenigstens ein die Brennpunktempfindlichkeit verringerndes
Mittel befinden. Das die Brennpunktempfindlichkeit verringernde
Mittel kann eine erste unbewegliche die Brennpunktempfindlichkeit
verringernde Linse und eine zweite die Brennpunktempfindlichkeit
verringernde Linse, die in der axialen Richtung beweglich ist, umfassen.
Die zweite die Brennpunktempfindlichkeit verringernde Linse kann
auf derjenigen Seite der ersten die Brennpunktempfindlichkeit verringernden Linse
sein, die von der fokussierenden Linse fern ist.
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Die
Linse kann geformt sein, um die Konfiguration der Brennebene, die
den zweiten Brennpunkt einschließt, zu bestimmen.
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Zwischen
der ablenkenden Linse und dem zweiten Brennpunkt kann eine weitere
unbewegliche asphärische
Linse positioniert sein. Der erste Brennpunkt kann auf der optischen
Achse der weiteren Linse liegen. Die weitere Linse kann geformt
sein, um die Konfiguration der Brennebene, die den zweiten Brennpunkt
einschließt,
zu bestimmen. Die Brennebene kann planar, konvex, konkav oder in
jeder anderen gewünschten
Konfiguration konfiguriert sein. Die weitere Linse kann rotationssymmetrisch
oder zylinderasphärisch
sein.
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Es
kann eine Mehrzahl von Linsen bereitgestellt sein, die jeweils um
eine Achse drehbar sind, die im Wesentlichen mit einem gemeinsamen
ersten Brennpunkt zusammenfällt.
Die Linsen können
in einer Gruppe angeordnet sein, die drei voneinander beabstandete
ablenkende Linsen umfassen kann.
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Es
können
Mittel zum Einstellen jeder ablenkenden Linse auf die Drehachse
zu und von ihr weg bereitgestellt sein.
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Der
optische Deflektor kann Mittel zum Einstellen jeder ablenkenden
Linse in einer zur Drehachse parallelen Richtung haben. Außerdem oder
alternativ kann der optische Deflektor Mittel zum Einstellen der
Neigung jeder ablenkenden Linse relativ zur Drehachse haben.
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Wenn
der optische Deflektor in einen Ausgabescanner eingebunden sein
soll, kann der divergierende Lichtstrahl im Wesentlichen vom ersten
Brennpunkt ausgehen. Der optische Deflektor kann eine Quelle parallel
gerichteten Lichtes haben. Die Quelle parallel gerichteten Lichtes
kann eine Laserlichtquelle umfassen.
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Wenn
der optische Deflektor in einen Eingabescanner eingebunden sein
soll, kann der divergierende Lichtstrahl im Wesentlichen vom zweiten Brennpunkt
ausgehen. Der optische Deflektor kann einen optischen Detektor haben,
der im Wesentlichen am ersten Brennpunkt angeordnet ist. Der optische
Detektor kann ein Detektorarray umfassen, wie z. B. einen Zeilenarray-CCD-Sensor.
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Wenn
der optische Deflektor in ein Mikroskop eingebunden sein soll, kann
die ablenkende Linse um eine Achse drehbar sein, die im Wesentlichen mit
dem zweiten Brennpunkt zusammenfällt.
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und um deutlicher zu zeigen, wie sie ausgeführt werden
kann, wird nun beispielhaft auf die Begleitzeichnungen Bezug genommen.
Dabei zeigt:
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1A bis 1C Strahlengänge durch eine
asphärische
Linse zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen strahlenbrechenden optischen Deflektor,
die die Wirkung des Divergenzwinkels demonstrieren;
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2A und 2B Strahlengänge durch eine
asphärische
Linse zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen strahlenbrechenden optischen Deflektor,
die demonstrieren, wie die verschiedenen Einfallswinkel den zweiten
Fokalzustand nicht ändern;
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3 einen
Strahlengang durch eine asphärische
Linse zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen strahlenbrechenden optischen
Deflektor, der die Wirkung der Drehung der Linse illustriert;
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4 einen
Strahlengang durch eine asphärische
Linse etwas anderer Konfiguration als der von 3;
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5 eine
Alternative zu 4, wobei sich zwischen der Linse
der 1 bis 3 und der
längeren
Konjugierten eine zusätzliche
asphärische
Linse befindet;
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6 eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen strahlenbrechenden
optischen Deflektors;
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7 einen
Querschnitt entlang der in 6 gezeigten
Linie VII-VII;
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8A und 8B eine
schematische Darstellung des Abtastens mit einer einzelnen ablenkenden
Linse 1;
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9 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen strahlenbrechenden
optischen Deflektors;
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10A und 10B eine
schematische Darstellung eines Mittels zur Brennpunktregelung in dem
in 9 gezeigten strahlenbrechenden optischen Deflektor;
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11 eine
Draufsicht einer ablenkenden Linse des in 9 gezeigten
strahlenbrechenden optischen Deflektors, der in einem Linsenhalter
montiert ist;
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12 einen 11 entsprechenden
Aufriss;
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13 einen
Teilquerschnitt in schematischer Form, der illustriert, wie ein
Linsenhalter zum vertikalen Einstellen an einem Gehäuse des
in 9 gezeigten strahlenbrechenden optischen Deflektors angebracht
ist;
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14 einen
Teilquerschnitt in schematischer Form, der illustriert, wie ein
Linsenhalter zum Einstellen der Neigung an einem Gehäuse des
in 9 gezeigten strahlenbrechenden optischen Deflektors
angebracht ist;
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15A und 15B,
wie der erfindungsgemäße strahlenbrechende
optische Deflektor als Rastermikroskop verwendet werden kann;
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16,
wie der erfindungsgemäße strahlenbrechende
optische Deflektor als zweidimensionaler Scanner eingesetzt werden
kann, und
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17,
wie der erfindungsgemäße strahlenbrechende
optische Deflektor als dreidimensionaler Scanner eingesetzt werden
kann.
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Die 1A, 1B und 1C zeigen
eine asphärische
Linse 1 positiver optischer Leistung, die keine sphärische Aberration
aufweist. Die innere Brennweite der Linse 1 ist sehr kurz
und die Linse fokussiert an einem Punkt 3. Die äußere Brennweite der
Linse ist etwas länger
als die innere Brennweite und die Linse fokussiert an einem Punkt 5.
Ein divergierender Lichtstrahl (zu dem sichtbare Strahlen, Infrarotstrahlen
und Ultraviolett-Strahlen zählen
können),
der im Effekt vom Brennpunkt 3 ausgeht, wird daher ungeachtet
der verwendeten Öffnungsblende am
Brennpunkt 5 fokussiert. Der Divergenzwinkel beeinflusst
aber insofern die verfügbare
Auflösung,
als ein breiter Divergenzwinkel θd1, wie in 1B gezeigt,
einen kleineren Fleckdurchmesser verursacht als ein schmaler Divergenzwinkel θd2, wie in 1C gezeigt.
Wenn die ganze Linse verwendet wird, wie in 1B gezeigt
wird, dann ist beispielsweise für
einen Divergenzwinkel von etwa 10 Grad ein Fleck mit einem Durchmesser
von etwa 5 Mikrometern möglich,
während,
wenn nur ein Teil der Linse verwendet wird, ein Fleckdurchmesser
von etwa 20 Mikrometern für
einen Divergenzwinkel von etwa 3 Grad möglich ist. Daher kann eine
etwas einfachere Linse eingesetzt werden, wenn die gewünschte Auflösung relativ niedrig
ist.
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Eine
solche Anordnung erlaubt eine höhere Auflösung (kleinerer
Pixeldurchmesser) als konventionelle Deflektoren. In einem optischen
System kürzerer
Brennweite als konventionelle optische Abtastsysteme können beträchtliche
Strahlablenkungswinkel bereitgestellt werden.
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Darüber hinaus
ist der Ausgangsbrennpunkt absolut und im Raum fixiert. Der Ausgangspunkt
unterliegt daher nicht den mit reflektierenden Deflektorsystemen
assoziierten Positionsverzerrungen.
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Die 2A und 2B zeigen
eine asphärische
Linse 1, wie die von 1, in
der ein parallel gerichteter Lichtstrahl 7, z. B. ein Laserstrahl,
von einer Linse 9 an oder nahe dem inneren Brennpunkt 3 der
Linse 1 fokussiert wird, sodass für jeden beliebigen Drehwinkel
der anschließende
divergierende Strahl nur auf Teil der Oberfläche der Linse 1 auftrifft.
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2A zeigt
die Situation, in der die optische Achse des divergierenden Strahls
mit der optischen Achse der Linse 1 zusammenfällt, sodass
ein Strahl mit kleinem Divergenzwinkel am äußeren Brennpunkt 5 der
Linse 1 fokussiert wird.
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2B zeigt
die Situation, in der die optische Achse des divergierenden Strahls
in einem spitzen Winkel relativ zur optischen Achse der Linse 1 ist.
Weil der Einfallsstrahl am inneren Brennpunkt der Linse 1 fokussiert
wird, wobei dies die Dreh- und die optische Achse ist, wird der
resultierende Strahl kleinen Divergenzwinkels aber immer noch am äußeren Brennpunkt
der Linse 1 fokussiert.
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2 demonstriert also, dass ein divergierender
Lichtstrahl, der auf die Linse 1 fällt und einen mit dem inneren
Brennpunkt der Linse 1 zusammenfallenden Brennpunkt hat,
immer am äußeren Brennpunkt
der Linse 1 fokussiert wird, ungeachtet des Teils der Oberflächenlinse,
an dem der Strahl einfällt. Das
bedeutet, dass die Drehung des parallel gerichteten Strahls 7 relativ
zur Linse 1 keinen Einfluss auf die räumliche Position auf dem Punkt
hat, an dem der Strahl fokussiert wird, sofern der parallel gerichtete Strahl
in einen konvergierenden/divergierenden Strahl umgesetzt wird, der
einen Brennpunkt hat, der im Wesentlichen mit dem inneren Brennpunkt 3 der Linse 5 zusammenfällt. Anders
ausgedrückt
heißt das,
dass im Verhältnis
zu einem optischen Deflektor, der in einen Scanner eingebunden ist,
der Projektionswinkel für
die Erzeugung des Bildes im Wesentlichen an der längeren Konjugierten
unwesentlich ist, sofern der Lichtstrahl im Wesentlichen an der
kurzen Konjugierten fokussiert wird.
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3 zeigt
die Wirkung der Drehung der Linse 1 relativ zu einem parallel
gerichteten Strahl 7 aus einer unbeweglichen Lichtquelle.
Das heißt,
die Lichtquelle ist fixiert und die Linse 1 dreht sich
um den Brennpunkt 3. Der Abstand, in dem der Strahl fokussiert
wird, bleibt konstant, aber der Strahl wird um einen Winkel abgelenkt.
Der Brennpunkt 5 verfolgt somit einen gekrümmten Weg 11.
Das Bild scheint sich daher zu drehen und wird in die Ebene des
Wegs 11 abgebildet. Weil der Lichtstrahl 7 am
Brennpunkt 3 davon in die Linse 1 projiziert wird,
fehlen dem optischen System Astigmatismus und Koma, das heißt, es gibt
in dem optischen System keine außeraxiale Lichtprojektion.
Es ist zu beachten, dass der Ablenkungswinkel eine Funktion des
Verhältnisses
der zwei Konjugierten ist, d. h. je kürzer die innere Brennweite
der Linse (bis zum Brennpunkt 3), umso größer der
Ablenkungswinkel. Die Leistungsgrenzen liegen in zwei Parametern:
bei abnehmender innerer Brennweite vergrößert sich der Einfallswinkel
schließlich
zu einem Wert, an dem das Licht reflektiert anstatt zu brechen,
und bei zunehmenden Auflösungsanforderungen
wird auch die Arbeitsblende größer, wodurch der
Ablenkungswinkel begrenzt wird.
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4 ist 3 ähnlich und
zeigt ebenfalls die relative Drehung einer Linse 13 relativ
zu dem parallel gerichteten Strahl 7. Das Profil der Linse 13 unterscheidet;
sich aber von dem von Linse 1, um eine Vergrößerung der
Brennweite mit zunehmendem Ablenkungswinkel zu verursachen. Der
Brennpunkt 5 verfolgt so einen flachen Weg 15,
der allgemein als der F-theta-Zustand bezeichnet wird, der zum Flachbettscannen
erforderlich ist. Es ist klar, dass weitere Linsenprofile bereitgestellt
werden können,
um andere Wege für
den Brennpunkt 5 zu erzeugen. Beispielsweise könnte der
Brennpunkt 5 angeordnet sein, um ein Bild auf eine konvexe
Fläche
zu projizieren.
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Die
Linse 13 von 4 kann zwar hergestellt werden,
die optische Leistung der Linse verschlechtert sich aber wahrscheinlich
mit zunehmendem Abtastwinkel (oder zunehmender Divergenz von der
optischen Achse des parallel gerichteten Strahls 7).
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Ein
optisch weniger kompliziertes Verfahren zum Modifizieren des Wegs
des Brennpunktes 5 ist, zwischen der Linse 1 und
dem Brennpunkt 5 eine weitere asphärische Linse 17 auf
der optischen Achse des parallel gerichteten Strahls 7 einzusetzen,
um den aus der Linse 1 austretenden Lichtstrahl zu ändern, um
restliche optische Aberrationen bei extremen Ablenkungswinkeln zu
korrigieren. Je nach der Konfiguration der Linsen 1 und 17 ist
es möglich,
einen flachen Weg 15 zu erzeugen, wie in 5 gezeigt
wird, oder fast jede gewünschte
Wegform, einschließlich
konkave (einschließlich
Konstantradius-)Wege, konvexe Wege und selbst Brennebenen mit Übergangsgradienten.
Die optische Leistung der weiteren Linse variiert somit im Verhältnis zur
Abweichung von der optischen Achse des parallel gerichteten Strahls 7:
tatsächlich
kann die optische Leistung der weiteren Linse 17 an der
optischen Achse des Strahls 7 null sein.
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Im
Idealfall hat der durch die Linse 1, 13 gehende Lichtstrahl
eine numerische Apertur im Bereich von 0,05 bis 0,35.
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Optisch
würden
die breiten Ablenkungswinkel normalerweise zu hoch elliptischen
Pixeln in Richtung auf die Peripherie der Abtastung führen. Grund dafür ist, dass
der Projektionswinkel relativ spitz wird, besonders wenn sehr kurze
Brennweiten und breite Ablenkungswinkel eingesetzt werden. Falls
gewünscht,
kann die Linse 1, 13 zum Vergrößern der Strahldivergenz mit
zunehmendem Abtastwinkel geformt sein: das heißt, der Strahl wird bei zunehmendem
Abtastwinkel effektiv zunehmend elliptisch, was zur Folge hat, dass
er einen kreisförmigen
Punkt auf der Zielbrennebene erzeugt. Auf diese Weise kann Pixelelliptizität bei Abtastwinkelextremen
korrigiert werden und während
der ganzen Abtastung ein kreisförmiger
Punkt aufrecht erhalten werden. Daher ist es möglich, ein lineares Bild mit
größerem Ablenkungswinkel
bereitzustellen und zu vermeiden, dass das Bild bei größerem Ablenkungswinkel
gedehnt wird. Dieses Merkmal ist normalerweise mit einem elektronischen
Korrekturverfahren assoziiert, das Pixeltaktkorrektur genannt wird.
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Ein
bedeutendes mit Flachbettscannen verbundenes Problem ist die Nichtlinearität des Abtastens.
Ein Motor tastet mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ab und infolgedessen
wird das assoziierte Bild bei größer werdendem
Ablenkungswinkel an der Brennebene zunehmend gedehnt. Die Korrektur
wird normalerweise elektronisch durch Pixeltaktkorrektur erzielt.
Das heißt,
die elektronischen Systeme modulieren den Datenstrom bei größeren Ablenkungswinkeln
mit einer höheren
Rate, um die Bildverzerrung zu berücksichtigen und zu korrigieren.
Die mit konventionellen Abtastoptiken assoziierte Nichtlinearität kann aus
den hierin beschriebenen asphärischen
Linsen herauskonfiguriert werden, wodurch eine rein optische lineare
Abtastung erlaubt wird.
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Der
optische Deflektor der vorliegenden Erfindung funktioniert insofern
anders als bekanntes Flachbettscannen, als die ablenkende Linse 1 oder 13 die
Strahlablenkung bei größeren Ablenkungswinkeln
verlangsamt. Der mittlere Abschnitt einer Abtastung kann einen Spitzenfehler
von bis zu etwa 3 Prozent Abweichung von dem erforderlichen Ablenkungswinkel
aufweisen, während
durchschnittlich etwa 60 Prozent eines Bildes mit weniger als 2
Prozent Fehler abgetastet werden kann. In vielen Fällen ist
das klein genug, um ignoriert zu werden, oder es kann in Software
korrigiert werden anstatt mithilfe teuerer elektronischer Systeme.
In Anwendungen, in denen im Wesentlichen kein sichtbarer Fehler
akzeptabel ist, kann aber eine weitere Linse hinzugefügt werden,
um Strahlablenkung zu korrigieren, oder, falls andere Parameter,
wie z. B. Tastgrad und/oder Pixelelliptizität, etwas entspannt werden können, wobei
der Spitzenfehler dann auf weniger als 2 Prozent abfällt.
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Es
wurde festgestellt, dass eine ablenkende Linse 1 oder 13 Winkel
bis zum Bereich von 90 bis 110 Grad abtasten kann, und das hat die
Möglichkeit hoher
Tastgrade zur Folge. Der Tastgrad ist der Anteil einer einzelnen
Motorumdrehung, der in Bildbearbeitungsarbeit umgesetzt wird.
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In
anspruchsvollen Anwendungen wird die Anordnung von drei ablenkenden
Linsen in einer kreisförmigen
Gruppe um eine Drehachse bevorzugt, wie hierin im Folgenden ausführlich gezeigt
wird. Auf diese Weise können
während
jeder Umdrehung der Gruppe drei Abtastzeilen durchgeführt werden,
wobei jede Linse für
120 Grad der Arbeit zuständig
ist. Jede Linse kann bis an ihren optischen Rand verwendet werden
und deshalb arbeiten die Linsen nur dann nicht, wenn sich der Strahl
von einer Linse zur nächsten
bewegt. Im typischen Fall gehen in anspruchsvollen Hochauflösungsanwendungen
(die einen relativ breiten Divergenzwinkel einsetzen) pro Linse 10 Prozent
der Abtastzeit verloren, was zu einem Tastgrad von 70 Prozent führt. In
Anwendungen mit geringer Auflösung
kann der Tastgrad etwa 90 Prozent sein, was zur Folge hat, dass
die Gesamtabtastzeiten verglichen mit konventionellen optischen
Abtastsystemen bedeutend verringert sein können.
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Es
ist zu beachten, dass die Optiken der 1 bis 5 umkehrbar
sind und die Anordnungen daher sowohl für das Ein- als auch das Ausgabescannen
verwendet werden können.
Das heißt, dass
ein Lichtstrahl, wie z. B. Laserlicht, durch die Optiken gespeist
werden kann, um ein Bild auf eine Brennebene zu projizieren, oder
alternativ ein beleuchtetes Zielbild durch die Linsen 1 oder 13 am
inneren Brennpunkt 3 auf einen feststehenden lichtempfindlichen
Detektor, wie z. B. eine Photodiode, abgetastet werden kann. Es
ist nämlich
möglich,
die zwei Scannerarten zu kombinieren. In einem solchen Fall erlaubt
der Einbau eines Strahlungsteilers, dass ein einzelner Optiksatz
erforderlichenfalls beide Funktionen gleichzeitig erfüllt, sodass
ein Benutzer das Ziel sehen kann und am gleichen Weg entlang einen
Laser feuern kann. Ein derartiger kombinierter Scanner ist in medizinischen
Anwendungen besonders nützlich,
wo es notwendig oder erwünscht
ist, ein Ziel zu sehen, das mit einem Laser behandelt wird.
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Es
versteht sich ferner, dass rotationssymmetrische Linsen 1 nicht
unbedingt erforderlich sind. Beispielsweise können zylindrische Linsen 1 eingesetzt
werden. Im Beispiel eines Rastermikroskops könnte die Zielbrennebene vollkommen
radial sein und die weitere Linse 17, wenn vorgesehen,
könnte die
Form einer Linse haben, die das Ziel anfänglich vergrößert und
dann das vergrößerte Bild
auf der radialen Brennebene präsentiert,
was das Abtasten des vergrößerten Bildes
mit einer zylindrischen Deflektorlinse 1 zulässt. Dies
verleiht den Vorteil, dass die zweite Brennebene eine Zeile anstelle
eines Punktes ist und auf einen Zeilenarray- CCD-Sensor abgebildet werden kann, wodurch
es möglich
wird, einen „Schwaden" des Ziels abzubilden
und nicht nur eine Reihe digitalisierter Punkte.
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In
einer weiteren Modifikation ist die äußere Brennweite, die den Brennpunkt 5 zur
Folge hat, auf unendlich eingestellt, was dazu führt, dass die Abbildungskapazität die einer
Weitwinkel-Zielverfolgungskamera
ist.
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Die
mit den Linsen 1 und 13 erzielbaren Ablenkungswinkel
sind verglichen mit konventioneller Technologie hoch und dies ermöglicht die
Verwendung kürzerer
Gesamtbrennweiten. Im typischen Fall sind Abtastwinkel von 60 Grad
bis 80 Grad leicht erreichbar, während
Abtastwinkel von 100 Grad oder mehr bei einer etwas schlechteren
Auflösung
erreicht werden können.
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Weil
in dem erfindungsgemäßen Deflektor weniger
optische Bauteile erforderlich sind, ist der optische Wirkungsgrad
(absorptionsbedingte Lichtverluste) höher als bei konventionellen
Deflektoren. Der höhere
optische Wirkungsgrad ermöglicht
den Einsatz von Lasern oder anderen Lichtquellen mit geringerer
Leistung.
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Die 6 und 7 zeigen
eine Ausgestaltung eines strahlenbrechenden optischen Deflektors, in
dem drei asphärische
Linsen 1 in einer Gruppe angeordnet sind, wobei die Linsen
im Abstand von 120 Grad zueinander angeordnet sind, um sich um eine gemeinsame
Achse drehen zu können,
auf der der innere Brennpunkt 3 aller drei Linsen 1 liegt.
Die Linsengruppe kann mit einem Elektromotor, wie z. B. einem luftgelagerten
Motor, der an 19 schematisch dargestellt ist, gedreht werden.
Der Motor und die Linsengruppe sind in einem Gehäuse 21 eingebaut,
wobei die weitere feststehende asphärische Linse 17 in einer
Seite des Gehäuses
montiert ist, um nacheinander durch jede der Linsen 1 gehendes
Licht weiter zu brechen. Das allgemeine Außenprofil der Gruppe von Linsen 1 kann
sich der Kreisform nähern,
wodurch sich fast lautloses Abtasten erreichen lässt. Eine derartige Anordnung
ist aerodynamisch ruhiger als bekannte rotierende Polygonspiegel
oder Galvanometer-Deflektoren.
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Ein
parallel gerichteter und monochromatischer Lichtstrahl 7 fällt durch
die Oberseite des Gehäuses 21 ein,
wobei der Strahl einen Durchmesser von beispielsweise 5 mm hat und
von der Linse 9 auf oder nahe an einen optisch flachen
Spiegel 23 fokussiert wird, der im Winkel von 45 Grad angeordnet
ist und axial mit dem Brennpunkt 3 zusammenfällt. Der Spiegel 23 lenkt
den konvergierenden/divergierenden Strahl um 90 Grad entlang der
optischen Achse der weiteren Linse 17 ab. Während der
Motor 19 die Gruppe von Linsen 1 rotiert, läuft so jede
Linse 1 der Reihe nach durch den divergierenden Strahl,
wobei der Strahl einen Bogen über
die Breite der Linse beschreibt und wie im Vorangehenden erläutert abgelenkt
wird, wobei der Ablenkungswinkel von der Augenblicksdrehposition
der Linse relativ zum Strahl abhängt.
Der abgelenkte Strahl geht dann durch die weitere Linse 17,
um ein Bild auf der erforderlichen Form von Brennebene zu erzeugen,
z. B. auf einer flachen Ebene.
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Die
weitere Linse 17 ist optisch sehr schwach, dient aber einer
Reihe von Zwecken. In erster Linie bereinigt die weitere Linse 17 die
Pixelqualität
an der Peripherie der Abtastung, indem sie einen kleinen Koma- und
Astigmatismusbetrag korrigiert, der in Anwendungen mit hoher Auflösung/kurzer
Brennweite auftritt. Die weitere Linse 17 hilft auch bezüglich der
Abtastlinearität.
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Der
strahlenbrechende optische Deflektor der vorliegenden Erfindung
sieht eine kompaktere, mehr in sich geschlossene Vorrichtung vor
als bisher praktisch durchführbar
war. Grund dafür
ist, dass kein Bedarf an der konventionellen F-theta-Linse mehr besteht,
die allgemein in einem beträchtlichen
Abstand von der Detektorlinse angeordnet ist. Ferner erfordert der
erfindungsgemäße strahlenbrechende optische
Deflektor nicht, dass der Eingangsstrahl bedeutend aufgeweitet wird,
wodurch entweder der konventionelle Strahlaufweiter völlig eliminiert
wird oder das erforderliche Strahlaufweitungsverhältnis beträchtlich
verringert wird.
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Der
Tastgrad oder der pro Deflektorzyklus erreichte Abtastarbeitsbetrag
ist bedeutend höher
als dies bei konventionellen Strahldeflektoren der Fall ist, wobei
in Hochauflösungsanwendungen
Werte bis zu 80 Prozent und in weniger anspruchsvollen Anwendungen
fast 100 Prozent erzielt werden können.
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Die 6 und 7 zeigen
zwar einen strahlenbrechenden optischen Deflektor mit einer rotierenden
Gruppe von drei Linsen 1, es ist aber zu erkennen, dass
ziemlich einfachere optische Deflektoren bereitgestellt werden können, die
nur eine einzelne ablenkende Linse 1 beinhalten. Deflektoren
können
nämlich
mit einem breitgefächerten
Bereich von Linsenzahlen konstruiert sein. Wenn nur eine einzelne
Linse 1 bereitgestellt ist, ist erkennbar, dass der Strahl 7 nicht
um 90 Grad gefaltet werden muss und dass der Strahl direkt auf die
Oberfläche
der Linse 1 projiziert werden kann. Ferner ist es nicht
unbedingt erforderlich, dass die Linse oder Linsen 1 um
eine Achse rotieren, sondern sie können auch hin- und hergehen
oder vor- und zurückschwingen.
Eine derartige Anordnung erlaubt, dass sich der Tastgrad 100 Prozent
nähert,
wenn auch das Rasterscannen nicht mehr verfügbar ist.
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Die 8A und 8B stellen
das Abtasten mit einer einzelnen ablenkenden Linse 1 schematisch
dar, wobei 8A die Anordnung ohne Strahlablenkung
zeigt und 8B die Anordnung mit bedeutender
Strahlablenkung zeigt. Wie zu sehen ist, kann mit der Hilfe einer
weiteren Linse 25 die Fokussierlinse 9 außerhalb
des von den rotierenden Bauteilen bestrichenen Bereichs angeordnet
sein und das Falten des Strahls 7 ist nicht notwendig.
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Weil
der erfindungsgemäße Deflektor
auf Drehbewegungen angewendet werden kann, wird die Abtastfrequenz
nur durch die mechanische Trägheit
der rotierenden Bauteile und die dadurch auf die Linsen ausgeübten Begrenzungen
begrenzt. Abtastgeschwindigkeiten können daher höher als
in konventionellen Deflektoren sein.
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Die
Erfindung, wie sie im Vorangehenden beschrieben wird, bezieht sich
zwar auf die Verwendung von nur einer räumlichen Achse, eine rotationssymmetrische
ablenkende Linse kann sich aber um die optische Mitte auf jeden
Winkel drehen. Das heißt,
die Achse, um die die Linse gedreht wird, braucht nicht feststehend
zu sein. Durch Drehen der ablenkenden Linse durch eine Ebene, die
zur hierin beschriebenen Rotationsebene orthogonal ist, können die
Optiken eine echte zweidimensionale Abtastung erzeugen. Dadurch
wird die Notwendigkeit von Rollenmechanismen oder bewegten Schlitten
zum Indexieren des Zieles eliminiert. Orthogonalität ist optisch
nicht unbedingt erforderlich, lediglich mechanisch erwünscht. Die
ablenkende Linse kann ein Bild in jedem Winkel relativ zur optischen
Mitte erzeugen oder generieren, sofern das Bild in einen erforderlichen
Fokalzustand fällt.
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9 zeigt
eine modifizierte Form eines strahlenbrechenden optischen Deflektors
mit einer Gruppe von drei asphärischen
ablenkenden Linsen 1, die um eine gemeinsame Achse drehbar
ist, auf der der Brennpunkt aller drei Linsen 1 liegt.
Die Gruppe von Linsen kann von einem Elektromotor, wie z. B. einem
luftgelagerten Motor, der an 19 schematisch dargestellt
ist, gedreht werden. Der Motor und die Linsengruppe sind in einem
Gehäuse 21 eingebaut, das
nur teilweise gezeigt wird, wobei eine weitere asphärische Linse 17 in
einer Seite des Gehäuses
montiert ist, um beim Drehen der Gruppe nacheinander durch jede
der Linsen 1 gehendes Licht weiter zu brechen.
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Ein
parallel gerichteter und monochromatischer Lichtstrahl 7 fällt durch
die Oberseite des Gehäuses 21 ein
und wird von einer Primärfokussierlinse 9 auf
oder nahe an einen optisch flachen Spiegel 23 fokussiert,
der im Winkel von 45 Grad angeordnet ist und axial mit dem Brennpunkt
der Linsen 1 zusammenfällt.
Der Spiegel 23 lenkt den konvergierenden/divergierenden
Strahl um 90 Grad entlang der optischen Achse der weiteren Linse 17 ab.
Während der
Motor 19 die Gruppe von Linsen 1 rotiert, läuft so jede
Linse 1 nacheinander durch den divergierenden Strahl, wobei
der Strahl einen Bogen über
die Breite der Linse beschreibt und wie im Vorangehenden erläutert abgelenkt
wird, wobei der Ablenkungswinkel von der Augenblicksdrehposition
der Linse relativ zum Strahl abhängt.
Der abgelenkte Strahl geht dann durch die weitere Linse 17,
um ein Bild auf der Brennebene zu erzeugen.
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Der
strahlenbrechende optische Deflektor von 9 unterscheidet
sich von dem der 6 und 7 hauptsächlich dadurch,
dass zwei weitere, die Brennpunktempfindlichkeit verringernde Linsen 27 und 29 bereitgestellt
sind, die hintereinander im Weg des Eingangsstrahls 7 auf
der vom Spiegel 23 fernen Seite der Primärfokussierlinse 9 positioniert
sind. Die erste die Brennpunktempfindlichkeit verringernde Linse 27,
die sich näher
an der Primärfokussierlinse 9 befindet,
ist unbeweglich, während
die zweite die Brennpunktempfindlichkeit verringernde Linse 29 auf die
erste Linse 27 zu und von ihr weg verstellbar ist. Es wurde
festgestellt, dass das System in Hochauflösungsanwendungen sehr fokusempfindlich
ist und es notwendig ist, dass eine einzelne Fokussierlinse 9 sehr
genau positioniert wird und eingestellt werden kann. Dies kann erzielt
werden, ist aber kostspielig. Die in 9 gezeigte
Alternative ist das Bereitstellen zusätzlicher Linsen, um den Brennpunkt weniger empfindlich
zu machen. Eine Lösung,
wie in 9 gezeigt, ist die Bereitstellung von zwei weiteren
Linsen 27 und 29. Linse 27 ist eine plankonvexe
Linse, die in einem vorbestimmten Abstand von der Primärfokussierlinse 9 montiert
ist, während
die Linse 29 plankonkav ist mit einen Krümmung, die
im Wesentlichen der von Linse 27 ähnelt und zur Bewegung in einer
axialen Richtung auf die Linse 27 zu und von ihr weg eingebaut
ist. Linse 29 kann, wenn dies auch nicht abgebildet ist,
so eingebaut sein, dass sie mit einem Getriebe versehen ist, das
mehrere Millimeter Bewegung auf die Linse 27 zu und von
ihr in mehrere Mikrometer Bewegung des Brennpunktes auf die Oberfläche des
Spiegels 23 zu und von ihr weg übersetzt.
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Es
ist notwendig, dass alle drei Linsen in der Gruppe sich insofern
wie eine einzige verhalten, als sie der Reihe nach die gleiche räumliche
Zeile abtasten müssen.
Es ist daher unbedingt erforderlich, die Möglichkeiten zum Einstellen
der Linsen relativ zum Gehäuse
in verschiedenerlei Hinsicht in Betracht zu ziehen: Brennpunkteinstellung,
Höheneinstellung und
Neigungseinstellung.
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Bezüglich der
Einstellung des Brennpunkts, das heißt dem Abstand von der Drehachse
der Gruppe, wurde festgestellt, dass zwar die manuelle Einstellung
vorgesehen sein kann, die modernen CNC-Bearbeitungsmethoden aber
im Allgemeinen ausreichend genau sind, um auf die Notwendigkeit der
Einstellung auf die Drehachse zu und von ihr weg zu verzichten.
Die 10A und 10B stellen trotzdem
schematisch ein Mittel zum Einstellen des Brennpunktes dar, wobei
eine Linse 1 über
einen Stellschraubenmechanismus 31 am Gehäuse montiert
ist, um die Einstellung auf die Drehachse zu und von ihr weg, wie
durch die Pfeile A in 10B angezeigt,
zuzulassen. Es wurde auch festgestellt, dass es allgemein unnötig ist,
die seitliche (Quer-)Einstellung der Linse relativ zur Drehachse
zu ermöglichen.
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Bezüglich der
Höheneinstellung
wird die ablenkende Linse 1 in den 11 und 12 in
einem Halter 33 montiert gezeigt. Wie in 11 zu
sehen ist, umfasst der Linsenhalter 33 einen hinteren Teil 35 und
einen nach vorn vorspringenden Teil 37, wobei die Linse
eng in eine im Linsenhalter gebildete Ausnehmung passt. Wie in 12 gezeigt
wird, ist der nach vorn vorspringende Teil 37 mit flachen
Seiten 39 versehen. Im Linsenhalter 33 befinden
sich Öffnungen 41,
wobei die Öffnungen
in einer vertikalen Richtung länglich
sind, um die relative Bewegung zwischen dem Linsenhalter und einem
Befestigungselement zu ermöglichen,
das sich durch jede Öffnung
erstreckt, um den Linsenhalter am Gehäuse zu befestigen. Zusätzliche Öffnungen 43,
wobei die Öffnungen in
einer vertikalen Richtung länglich
sind, sind zum Aufnehmen eines an einem Träger 44 (13)
bereitgestellten Befestigungsstiftes bereitgestellt, wobei sie zwischen
dem Linsenhalter und dem Träger
relative Bewegung zulassen.
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Der
Träger 44 ist
zur Verdeutlichung teilweise im Schnitt dargestellt und zeigt auf
der linken Seite von 13 eine flache Seite 39 des
Linsenhalters 33. Die rechte Seite von 13 zeigt
die flache Seite 39 des Linsenhalters 33 in Anlage
an einer im Träger 44 gebildeten
entsprechenden vertikalen flachen Fläche 45, um die Bewegung
des Linsenhalters 33 relativ zum Träger einzuschränken. Ein
Stift 47 geht durch die im Linsenhalter. bereitgestellte
längliche Öffnung 43,
während
die Befestigungselemente 49 durch die im Linsenhalter bereitgestellten
länglichen Öffnungen 41 gehen.
Der Linsenhalter 33 kann somit mit Bezug zum Träger vertikal
verschoben werden, wobei die Einstellung eines beliebigen einzelnen
Befestigungselements während
der Einrichtung keine unerwünschten
Verschiebungen auf Grund von mechanischen Momenten zur Folge hat.
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Eine
weitere Form von Einstellung, die sich als wichtig herausgestellt
hat, ist die Neigungseinstellung der ablenkenden Linse relativ zum
Träger. Es
wurde festgestellt, dass mit der Höheneinstellung immer eine Toleranz
assoziiert ist und dass diese zum Ende einer Zeilenabtastung in
Koma der Pixel resultiert. Wenn der Strahl geringfügig außeraxial durch
die ablenkende Linse geht, entsteht Koma und der dadurch bewirkte
komatische Brennpunkt ist mit Bezug auf die erforderliche Achse
verschoben. Es wurde ferner festgestellt, dass die Neigungseinstellung
der Deflektorlinse zum Korrigieren des Fehlers verwendet werden
kann. Im Effekt kann eine Kombination von Höhenfehler und kompensierender
Neigung zu einem im Wesentlichen perfekten Pixel führen. Grund
dafür ist,
dass die durch Neigung eingeführte
komatische Streuung in der entgegengesetzten Richtung zu der vom
Höhenfehler
eingeführten ausgerichtet
ist. Die Neigungseinstellung ist in 14 schematisch
dargestellt und wird durch differentielle Einstellung der oberen
und unteren Befestigungselemente 49 bewirkt.
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Die 15A und 15B zeigen,
wie der erfindungsgemäße strahlenbrechende
optische Deflektor als Rastermikroskop verwendet werden kann. In
diesem Fall ist die ablenkende Linse 1 effektiv umgekehrt,
sodass die kürzere
Brennweite der Linse dem äußeren Brennpunkt 3 entspricht
und die längere
Brennweite dem inneren Brennpunkt 5 entspricht. Die ablenkende
Linse wird trotzdem noch um den inneren Brennpunkt 5 gedreht,
um das Ziel am äußeren Brennpunkt 3 abzutasten.
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16 ist
nicht maßstabgerecht,
zeigt aber, wie der erfindungsgemäße strahlenbrechende optische
Deflektor als zweidimensionaler Scanner eingesetzt werden kann.
Effektiv wird nur erfordert, dass der Träger 44 um eine horizontale
Achse drehbar sein muss, die durch den Brennpunkt 3 geht.
Auf diese Weise kann die Deflektorlinse 1 sich sphärisch anstatt
kreisförmig
bewegen und die gesamte Linse kann für Bildbearbeitungszwecke verwendet
werden. Der Vorteil liegt darin, dass die Lichtquelle oder der Lichtdetektor
räumlich
fixiert bleibt und nur die Linse sich bewegt.
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17 ist
nicht maßstabgerecht,
zeigt aber, wie der erfindungsgemäße strahlenbrechende optische
Deflektor als dreidimensionaler Scanner eingesetzt werden kann.
Effektiv wird über
die Ausgestaltung von 16 hinaus nur erfordert, dass
die Linse 9 einstellbar gemacht wird, um die Brennebene 5 neu zu
fokussieren. Es ist zu beachten, dass sowohl die Lichtquelle oder
der Detektor als auch das Ziel feststehend bleiben und nur die Linse 9 eingestellt
werden muss, um das Ziel abzubilden. Der Vorteil liegt darin, dass
relativ große
Regionen bei feststehendem Ziel und Detektor abgebildet werden können, was
in bestimmten Anwendungen, wie z. B. gerichtsmedizinischen Untersuchungen,
besonders nützlich ist.
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Der
erfindungsgemäße optische
Deflektor kann die folgenden Vorteile haben:
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Durch
Brechen des Strahls oder Bildes durch eine Linse, anstatt ihn/es
von einem Spiegel reflektieren zu lassen, können viele der optischen Bauteile
eines reflektierenden Deflektors kombiniert werden. So kann eine
bedeutende Zahl kostspieliger Bauteile eliminiert werden. Entsprechend
dem strahlenbrechenden optischen Deflektor der vorliegenden Erfindung werden
von der Lichtquelle bis zu Brennebene eventuell nur zwei Linsen
benötigt,
obwohl für
anspruchsvolle Hochauflösungsanwendungen
weitere, nichtspezielle Linsen erforderlich sein können.
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Außerdem können hohe
Tastgrade erreicht werden, weil das Verhältnis von Brennweite zu Ablenkungswinkel
sehr hoch sein kann. Im typischen Fall kann in Hochauflösungsanwendungen
ein Tastgrad von etwa 70 Prozent erzielt werden und in weniger anspruchsvollen
Anwendungen kann ein Tastgrad bis etwa 95 Prozent erzielt werden.
Dies ist mehr als der zweifache Tastgrad gleichwertiger Galvanometer-
und Polygon-Deflektoren.
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Mit
Ablenkungswinkeln von typisch 90 Grad und bis zu 120 Grad können erfindungsgemäße optische
Deflektoren viel kompakter als Deflektoren vom Stand der Technik
sein. Ein typischer erfindungsgemäßer optischer Deflektor kann
eine Gesamtbrennweite von der Hälfte
bis zu zwei Dritteln von der von traditionellen Abtastoptiken haben.
Ferner braucht der mechanische Abstand von der Lichtquelle zur Deflektorlinse,
weil keine Strahlaufweiter und F-theta-Linsen benötigt werden, nur einige Zentimeter
zu betragen.
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Breite
Ablenkungswinkel und kurze Brennweiten würden zwar normalerweise zu
einem hohen Grad an Pixelelliptizität führen, in dem erfindungsgemäßen optischen
Deflektor kann die ablenkende Linse aber leicht so gestaltet werden,
dass sich der Divergenzwinkel mit dem Ablenkungswinkel ändert, um diesen
Fehler auf eine Weise im Wesentlichen völlig zu korrigieren, die traditionellen
F-theta-Linsen nicht möglich
ist.
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Weil
der optische Deflektor die Form einer Rotationsoptik hat, wird die
Abtastgeschwindigkeit nur von zwei Parametern begrenzt: Zeit der
Analog-Digital-Umsetzung und Anstrebkräfte der rotierenden Linsen.
Im Fall eines Scanners auf Galvanometerbasis begrenzt Trägheit die
Resonanzfrequenz des Scanners auf 200 Hz bis 400 Hz je nach Spiegelgröße und der
Tastgrad ist im typischen Fall kleiner als 40 Prozent. Im Gegensatz
dazu kann der erfindungsgemäße optische
Deflektor bei bis fast 1 kHz mit einem optischen Tastgrad von etwa
75 Prozent funktionieren. Die Plattenbelichtung würde beispielsweise
um das Mehrfache schneller sein, weil die elektronischen Systeme
nicht auf die niederen Resonanzfrequenzen der Scanner auf Galvanometerbasis begrenzt
sind und bei höheren
Geschwindigkeiten und für
eine längere
Zeitspanne pro Abtastzeile funktionieren können.
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Abtastoptiken
sind traditionell auf eine Dimension begrenzt. Der erfindungsgemäße optische Deflektor
braucht aber nicht darauf begrenzt zu sein, in einer einzelnen Ebene
zu funktionieren. Die ablenkenden Linsen können so montiert sein, dass
sie rotationssymmetrisch um eine Achse sind und können zusätzlich zu
dem, dass sie sich mit hoher Geschwindigkeit um die Drehachse drehen
können,
zum Drehen um beispielsweise 90 Grad gebracht werden. Die zusätzliche
Drehung hat einen echten zweidimensionalen Scanner zur Folge, während die
normalerweise mit Scannermechanismen assoziierten Schlitten und
Rollen eliminiert werden.
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Der
optische Deflektor kann eine dynamische Fokussierungsoptik enthalten
und in diesem Fall braucht die Brennebene nicht flach zu sein. Der optische
Deflektor kann somit echte dreidimensionale Abtastfähigkeiten
verleihen. Eine solche Leistungsfähigkeit wird zwar in konventionellen
Abtastanwendungen nicht benötigt,
sie kann aber beispielsweise zum Abbilden eines fokussierten Lasers
auf eine dreidimensionale Oberfläche
verwendet werden. Umgekehrt kann ein Bild gelesen werden, ohne dass
mechanische Bewegungen durchgeführt
werden müssen.
Beispielsweise ist es im Fall der Mikroskopie traditionell, den
das Ziel tragenden Objekttisch mit Mikroeinstellern in der X- und
der Y-Richtung einzustellen, wohingegen ein erfindungsgemäßer optischer
Deflektor das Abbilden von dreidimensionalen Oberflächen durch
Bewegen der Linse anstelle des Ziels zum Abbilden einer anderen
Ansicht verwendet.
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Der
erfindungsgemäße optische
Deflektor kann ungeachtet der Art der erforderlichen Brennebene
leicht so konstruiert werden, dass er der Form der Brennebene gerecht
wird, entweder durch Modifizieren der ablenkenden Linse, um einen
feststehenden oder „eingebauten" Fokalzustand bereitzustellen,
oder durch dynamisches Nachfokussieren. Dynamisches Nachfokussieren
ist nur dahingehend begrenzt, dass dynamisches Hochgeschwindigkeits-Brennebenenabtasten
die Verwendung teuerer piezoelektrischer Steller zum Erreichen der
Bildschärfe
benötigt.
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In
nicht abtastenden Anwendungen, wenn die ablenkende Linse nicht rotiert,
aber drehbar bleibt, wird die ablenkende Linse eine ungewöhnliche Bildbearbeitungslinse
aus eigenem Recht. Beispielsweise kann die ablenkende Linse effektiv
als ein Kugelgelenk montiert sein mit einem im Raum befestigten
Detektorarray, wie einem CCD-Array. Auf diese Weise wird keine konventionelle
Alt-Azimuth-Kameramontierung
benötigt
und die einzelne ablenkende Linse kann hemisphärisch bewegt werden, um ein Sehfeld
von 120 Grad abzubilden.