DE60105650T2 - Lichtbrechender optischer reflektor - Google Patents

Lichtbrechender optischer reflektor Download PDF

Info

Publication number
DE60105650T2
DE60105650T2 DE60105650T DE60105650T DE60105650T2 DE 60105650 T2 DE60105650 T2 DE 60105650T2 DE 60105650 T DE60105650 T DE 60105650T DE 60105650 T DE60105650 T DE 60105650T DE 60105650 T2 DE60105650 T2 DE 60105650T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
lens
optical deflector
deflector according
focal point
deflecting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE60105650T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60105650D1 (de
Inventor
Geoffrey Donald Evesham Owen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of DE60105650D1 publication Critical patent/DE60105650D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE60105650T2 publication Critical patent/DE60105650T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10Scanning systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Facsimile Scanning Arrangements (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen strahlenbrechenden optischen Deflektor zur Verwendung in optischem Abtasten und anderen Anwendungen.
  • Es gibt zwei grundlegende Arten der optischen Abtastung, nämlich Eingabescannen und Ausgabescannen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Deflektor bereitzustellen, der die Nachteile bekannter Deflektoren überwindet oder zumindest verringert.
  • 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.
  • Die Anordnung kann dergestalt sein, dass ein Strahlengang zwischen dem ersten und dem zweiten Brennpunkt nur eine einzelne drehbare ablenkende Linse aufweist.
  • Die fokussierende Linse kann mithilfe von piezoelektrischen Stellern einstellbar sein.
  • 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.
  • Die ablenkende Linse kann rotationssymmetrisch oder zylinderasphärisch sein.
  • 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.
  • 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.
  • Die Linse kann geformt sein, um die Konfiguration der Brennebene, die den zweiten Brennpunkt einschließt, zu bestimmen.
  • 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.
  • 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.
  • Es können Mittel zum Einstellen jeder ablenkenden Linse auf die Drehachse zu und von ihr weg bereitgestellt sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 1A bis 1C Strahlengänge durch eine asphärische Linse zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen strahlenbrechenden optischen Deflektor, die die Wirkung des Divergenzwinkels demonstrieren;
  • 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;
  • 3 einen Strahlengang durch eine asphärische Linse zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen strahlenbrechenden optischen Deflektor, der die Wirkung der Drehung der Linse illustriert;
  • 4 einen Strahlengang durch eine asphärische Linse etwas anderer Konfiguration als der von 3;
  • 5 eine Alternative zu 4, wobei sich zwischen der Linse der 1 bis 3 und der längeren Konjugierten eine zusätzliche asphärische Linse befindet;
  • 6 eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen strahlenbrechenden optischen Deflektors;
  • 7 einen Querschnitt entlang der in 6 gezeigten Linie VII-VII;
  • 8A und 8B eine schematische Darstellung des Abtastens mit einer einzelnen ablenkenden Linse 1;
  • 9 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen strahlenbrechenden optischen Deflektors;
  • 10A und 10B eine schematische Darstellung eines Mittels zur Brennpunktregelung in dem in 9 gezeigten strahlenbrechenden optischen Deflektor;
  • 11 eine Draufsicht einer ablenkenden Linse des in 9 gezeigten strahlenbrechenden optischen Deflektors, der in einem Linsenhalter montiert ist;
  • 12 einen 11 entsprechenden Aufriss;
  • 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;
  • 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;
  • 15A und 15B, wie der erfindungsgemäße strahlenbrechende optische Deflektor als Rastermikroskop verwendet werden kann;
  • 16, wie der erfindungsgemäße strahlenbrechende optische Deflektor als zweidimensionaler Scanner eingesetzt werden kann, und
  • 17, wie der erfindungsgemäße strahlenbrechende optische Deflektor als dreidimensionaler Scanner eingesetzt werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • Darüber hinaus ist der Ausgangsbrennpunkt absolut und im Raum fixiert. Der Ausgangspunkt unterliegt daher nicht den mit reflektierenden Deflektorsystemen assoziierten Positionsverzerrungen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Im Idealfall hat der durch die Linse 1, 13 gehende Lichtstrahl eine numerische Apertur im Bereich von 0,05 bis 0,35.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der erfindungsgemäße optische Deflektor kann die folgenden Vorteile haben:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (32)

  1. Optischer Deflektor, umfassend eine ablenkende Linse (1, 13) mit einer ersten asphärischen Linsenfläche positiver optischer Leistung und mit einer ersten Brennweite, die einen ersten Brennpunkt (3) verursacht, und mit einer zweiten asphärischen Linsenfläche positiver optischer Leistung und mit einer zweiten Brennweite, die einen zweiten Brennpunkt (5) verursacht, wobei die erste Brennweite kürzer als die zweite Brennweite ist, wodurch ein divergenter Lichtstrahl (7) im Wesentlichen an dem ersten oder dem zweiten Brennpunkt von der Linse an dem jeweils anderen Brennpunkt fokussiert wird, Mittel (19) 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 (9), dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Linse in einem Strahlengang bereitgestellt ist, der sich auf derjenigen Seite des ersten Brennpunktes (3) erstreckt, die von der ablenkenden Linse (1, 13) fern ist, und einstellbar ist, um die Tiefe des zweiten Brennpunktes zu ändern.
  2. Optischer Deflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung dergestalt ist, dass ein Strahlengang zwischen dem ersten und dem zweiten Brennpunkt nur eine einzelne drehbare ablenkende Linse (1, 13) aufweist.
  3. Optischer Deflektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Linse mithilfe von piezoelektrischen Stellern einstellbar ist.
  4. Optischer Deflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ablenkende Linse (1, 13) zum Vergrößern der Strahldivergenz bei zunehmendem Abtastwinkel geformt ist.
  5. Optischer Deflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede ablenkende Linse (1, 13) kontinuierlich um die Achse drehbar ist.
  6. Optischer Deflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede ablenkende Linse (1, 13) um die Achse hin- und herbewegbar ist.
  7. Optischer Deflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ablenkende Linse (1, 13) rotationssymmetrisch ist.
  8. Optischer Deflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ablenkende Linse (1, 13) zylinderasphärisch ist.
  9. Optischer Deflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit wenigstens einem die Brennpunktempfindlichkeit verringernden Mittel (27, 29) auf der von der ablenkenden Linse (1, 13) fernen Seite der fokussierenden Linse (9).
  10. Optischer Deflektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das die Brennpunktempfindlichkeit verringernde Mittel eine erste unbewegliche die Brennpunktempfindlichkeit verringernde Linse (27) und eine zweite die Brennpunktempfindlichkeit verringernde Linse (29), die in der axialen Richtung beweglich ist, umfasst.
  11. Optischer Deflektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite die Brennpunktempfindlichkeit verringernde Linse (29) auf derjenigen Seite der ersten die Brennpunktempfindlichkeit verringernden Linse (27) ist, die von der fokussierenden Linse (9) fern ist.
  12. Optischer Deflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ablenkende Linse (1, 13) um eine Achse drehbar ist, die im Wesentlichen mit dem ersten Brennpunkt (3) zusammenfällt.
  13. Optischer Deflektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ablenkende Linse (1, 13) geformt ist, um die Konfiguration der Brennebene, die den zweiten Brennpunkt (5) einschließt, zu bestimmen.
  14. Optischer Deflektor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere unbewegliche asphärische Linse (17) zwischen der ablenkenden Linse (1, 13) und dem zweiten Brennpunkt (5) positioniert ist.
  15. Optischer Deflektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennpunkt (3) auf der optischen Achse der weiteren Linse (17) liegt.
  16. Optischer Deflektor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Linse (17) geformt ist, um die Konfiguration der Brennebene, die den zweiten Brennpunkt (5) einschließt, zu bestimmen.
  17. Optischer Deflektor nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Linse (17) rotationssymmetrisch ist.
  18. Optischer Deflektor nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Linse (17) zylinderasphärisch ist.
  19. Optischer Deflektor nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von ablenkenden Linsen (1, 13) bereitgestellt ist, die jeweils um eine Achse drehbar sind, die im Wesentlichen mit einem gemeinsamen ersten Brennpunkt zusammenfällt.
  20. Optischer Deflektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die ablenkenden Linsen (1, 13) in einer Gruppe angeordnet sind.
  21. Optischer Deflektor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe drei gleichwinklig voneinander beabstandete ablenkende Linsen (1, 13) umfasst.
  22. Optischer Deflektor nach Anspruch 20 oder 21 und mit Mitteln (31) zum Einstellen jeder ablenkenden Linse (1, 13) auf die Drehachse zu und von ihr weg.
  23. Optischer Deflektor nach einem der Ansprüche 20 bis 22 und mit Mitteln (39, 45) zum Einstellen jeder ablenkenden Linse (1, 13) in einer zur Drehachse parallelen Richtung.
  24. Optischer Deflektor nach einem der Ansprüche 20 bis 23 und mit Mitteln (39, 45, 49) zum Einstellen der Neigung jeder ablenkenden Linse (1, 13) relativ zur Drehachse.
  25. Optischer Deflektor nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der divergierende Lichtstrahl (7) im Wesentlichen vom ersten Brennpunkt (3) ausgeht.
  26. Optischer Deflektor nach einem der Ansprüche 12 bis 25 und mit einer Quelle parallel gerichteten Lichtes.
  27. Optischer Deflektor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle parallel gerichteten Lichtes eine Laserlichtquelle umfasst.
  28. Optischer Deflektor nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der divergierende Lichtstrahl (7) im Wesentlichen vom zweiten Brennpunkt (5) ausgeht.
  29. Optischer Deflektor nach Anspruch 28 und mit einem optischen Detektor, der im Wesentlichen am ersten Brennpunkt (3) angeordnet ist.
  30. Optischer Deflektor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor ein Detektorarray umfasst.
  31. Optischer Deflektor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorarray einen Zeilenarray-CCD-Sensor umfasst.
  32. Optischer Deflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ablenkende Linse (1, 13) um eine Achse drehbar ist, die im Wesentlichen mit dem zweiten Brennpunkt (5) zusammenfällt.
DE60105650T 2000-11-29 2001-11-29 Lichtbrechender optischer reflektor Expired - Fee Related DE60105650T2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB0029038 2000-11-29
GBGB0029038.7A GB0029038D0 (en) 2000-11-29 2000-11-29 Refractive optical deflector
PCT/GB2001/005282 WO2002044789A1 (en) 2000-11-29 2001-11-29 Refractive optical deflector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60105650D1 DE60105650D1 (de) 2004-10-21
DE60105650T2 true DE60105650T2 (de) 2005-09-29

Family

ID=9904056

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60105650T Expired - Fee Related DE60105650T2 (de) 2000-11-29 2001-11-29 Lichtbrechender optischer reflektor

Country Status (7)

Country Link
US (1) US6873446B2 (de)
EP (1) EP1352285B1 (de)
AT (1) ATE276533T1 (de)
AU (1) AU2002222105A1 (de)
DE (1) DE60105650T2 (de)
GB (1) GB0029038D0 (de)
WO (1) WO2002044789A1 (de)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005020175A (ja) * 2003-06-24 2005-01-20 Olympus Corp 光検出装置及び光学システム
WO2009120718A1 (en) * 2008-03-24 2009-10-01 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Methods, systems, and media for controlling depth of field in images
US9290008B1 (en) 2011-09-20 2016-03-22 Nlight Photonics Corporation Laser marking method and system
US10357848B2 (en) * 2015-01-19 2019-07-23 General Electric Company Laser machining systems and methods
KR101714163B1 (ko) 2015-06-26 2017-03-08 현대자동차주식회사 차량용 벤딩 라이트 장치
US9837784B2 (en) 2015-12-28 2017-12-05 Nlight, Inc. Fully controllable burst shaping individual pulses from picosecond fiber lasers
DE102018204858B4 (de) * 2018-03-29 2023-12-07 Robert Bosch Gmbh LiDAR-System

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB445938A (en) * 1934-10-19 1936-04-20 Marconi Wireless Telegraph Co Improvements in or relating to television and like scanning systems
US4730910A (en) * 1985-09-18 1988-03-15 Humphrey Instruments, Inc. Wide angle lens system having flare rejection properties
US5128795A (en) * 1989-08-14 1992-07-07 Ricoh Company, Ltd. Scanning lens and scanning apparatus using scanning lens
GB9804289D0 (en) * 1997-04-11 1998-04-22 Owen Geoffrey Optical deflector and scanner

Also Published As

Publication number Publication date
GB0029038D0 (en) 2001-01-10
US20040095655A1 (en) 2004-05-20
AU2002222105A1 (en) 2002-06-11
DE60105650D1 (de) 2004-10-21
ATE276533T1 (de) 2004-10-15
EP1352285A1 (de) 2003-10-15
US6873446B2 (en) 2005-03-29
WO2002044789A1 (en) 2002-06-06
EP1352285B1 (de) 2004-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3137031C2 (de) Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem
DE10116059B4 (de) Lithograph mit bewegter Linse und Verfahren zum Herstellen digitaler Hologramme in einem Speichermedium
DE10038622A1 (de) Scan-Mikroskop,optische Anordnung und Verfahren zur Bildaufnahme in der Scan-Mikroskopie
DE10140208A1 (de) Optische Anordnung
EP1698995A1 (de) Identifikationseinrichtung
WO2000072078A1 (de) Verfahren und anordnung zur lageerfassung einer mit einem laser-scanner abzutastenden ebene
DE10139920B4 (de) Scanmikroskop und Verfahren zum Scannen eines Objekts
DE60105650T2 (de) Lichtbrechender optischer reflektor
EP1273952A2 (de) Konfokales Mikroskop
EP0041660A1 (de) Lese- und Schreibvorrichtung mit einer optischen Abtastvorrichtung
DE60007308T2 (de) Innentrommel-aufzeichnungsgerät mit mehreren strahlen mit mehreren wellenlängen
DE69212584T2 (de) Optischer Scanner und Drucker
EP0635968B1 (de) Vorrichtung zum Umwandeln von Lichtsignalen in Videosignale
WO2018054944A1 (de) Mikroskopbeleuchtungsanordnung zur strukturierten beleuchtung
EP0179213A1 (de) Optisches Laserstrahl-Ablenksystem
DE102019200664B3 (de) Sensoranordnung und Verfahren zum Vermessen eines Messobjekts
EP1617263B1 (de) Lichtrastermikroskop und Verwendung
WO2014060271A1 (de) Vorrichtung zur beleuchtung einer probe mit einem lichtblatt
DE10233491A1 (de) Kompakte Einrichtung zur Bebilderung einer Druckform
WO2000002376A1 (de) Scannerkopf zur abtastung von vorlagen
EP3011393B1 (de) Scaneinrichtung
DE19752888C2 (de) Mikrooptischer Laserscanner und Abtastverfahren
DE4441341C2 (de) Trommelbelichter oder Trommelscanner
DE69014908T2 (de) Achromatisches optisches Laserabtastsystem.
DE102017210098A1 (de) Scankopfvorrichtung und Verfahren zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner, Scanvorrichtung mit einer Scankopfvorrichtung und Scanner mit einer Scankopfvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee