DE69737669T2

DE69737669T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Durchmessers eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE69737669T2
Application number: DE69737669T
Authority: DE
Inventors: Katsuto Ashigarakami-gun Sumi
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1996-08-19
Filing date: 1997-08-18
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: US6118471A; JP3990472B2; DE69737669D1; EP0825471A2; EP0825471A3; EP0825471B1; JPH1062713A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtasten mit einem Laserstrahlbündel veränderlicher Dichte.
Stand der Technik
Bei derartigen Lichtstrahl-Abtastvorrichtungen muß der Durchmesser des Laserstrahlbündels (im folgenden einfach: Laserstrahl), der auf die Aufzeichnungs- oder aufgezeichnete Fläche fokussiert ist (im folgenden einfach als fokussierter Strahldurchmesser bezeichnet), abhängig von der Bildaufzeichnung oder der Lesedichte geändert werden. In anderen Worten: der fokussierte Strahldurchmesser muß abhängig von der Abtastdichte geändert werden. Beispielsweise muß der fokussierte Strahldurchmesser aufgeweitet werden, wenn die Bildaufzeichnungsdichte (Lesedichte) verringert ist (das heißt dann, wenn die Abtastdichte verringert ist).
Üblicherweise gab es zwei Arten von vorgeschlagenen Verfahren zum Ändern eines fokussierten Strahldurchmessers. Das erste Verfahren macht von einer Aperturblende Gebrauch (vergleiche die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (KOKAI) Nr. 141662/1981 und 144850/1983). Das zweite Verfahren sieht eine Steuerung des fokussierten Strahldurchmessers durch Ändern der Vergrößerung eines optischen Systems vor. Bei dem ersten Verfahren wird die Aperturblende in eine kollimierten (parallel gemachten) Teil des Lichtstrahlbündels eingefügt, um den Durchmesser des Lichtstroms des kollimierten Strahlbündels (des parallelen Strahlbündels) zu begrenzen. In anderen Worten: das erste Verfahren macht von einer Verdunkelung oder Abschattung Gebrauch, um den fokussierten Strahldurchmesser aufzuweiten.
Ein fokussierter Strahldurchmesser d ist allgemein durch folgende Gleichung definiert: D = Kλf/D,wobei K ein Koeffizient, λ eine Strahlbündel-Wellenlänge, f eine Brennweite einer Abtastlinse (Fokussierlinse) und D ein Lichtstrom-Durchmesser des Lichtstrahls ist, der auf die Abtastlinse auftrifft (im folgenden als Einfall-Strahldurchmesser bezeichnet). Der Strahldurchmesser d wird mit dem Durchmesser eines Kreises identisch, der gebildet wird durch Verbinden von Punkten, wo eine Strahlleistung von 1/e² (etwa 0,135) herrscht, bis zu dem Punkt maximaler Strahlleistung (dem Mittelpunkt des Strahlungsbündels).
Wie aus der obigen Gleichung entnehmbar ist, wird der einfallende Strahldurchmesser D klein gemacht, um den fokussierten Strahldurchmesser d zu vergrößern. Genauer genommen, dient das erste Verfahren zum Steuern des Strahldurchmessers d durch Ändern des einfallenden Strahldurchmessers D. Angenommen, der einfallende Strahldurchmesser betrage bei d = 10 μm D₀. Wenn dann der fokussierte Strahldurchmesser d auf 13 μm aufgeweitet werden soll, muß eine Aperturblende in einen Teil des einfallenden Lichtstrahlbündels (des parallelen Strahlbündels) eingefügt werden, der den einfallenden Strahldurchmesser D reduziert auf D = 10/13 = 0,77 D₀.
Bei dem zweiten Verfahren ist der kollimierte Strahldurchmesser, der auf die Abtastlinse auftrifft, im allgemeinen groß, und deshalb wird zum Erzeugen eines Strahlbündels großen Durchmessers ein Strahlaufweitungssystem verwendet, so daß der fokussierte Strahldurchmesser veränderlich ist, indem die optische Vergrößerung des Strahlaufweitungssystems geändert wird.
Da das erste Verfahren von einer Aperturblende zum Abschatten eines Teils des einfallenden Strahlbündels Gebrauch macht, damit der fokussierte Strahldurchmesser aufgewei tet werden kann, wird die Ausnutzung des einfallenden Strahlbündels verringert. Der fokussierte Strahldurchmesser wird aufgeweitet, um die Abtastdichte zu verkleinern, und deswegen ist die Aufzeichnungsdichte grob. Obschon die zum Aufweiten des fokussierten Strahldurchmessers erforderliche Lichtmenge größer ist als diejenige, die bei der hochdichten Aufzeichnung erforderlich ist, die mit einem kleinen fokussierten Strahldurchmesser erfolgt, wird die von der Aperturblende zu verdunkelnde Lichtmenge tatsächlich erhöht, so daß die als fokussiertes Strahlbündel zu verwendende Lichtmenge tatsächlich geringer wird.
Andererseits erfordert das zweite Verfahren den Einsatz mehrerer optischer Systeme mit mehreren Linsen oder ein Zoom-System als Aufweitungssystem. Aus diesem Grund werden die optischen Systeme und die dazugehörigen beweglichen Einstellmechanismen kompliziert und außerdem teuer.
Die EP-A-0 476 931 zeigt eine Phasenschiebervorrichtung, die einen Laserstrahl mit einem kleineren Strahlfleckdurchmesser liefert und gleichzeitig eine große Tiefenschärfe beibehält, ohne die numerische Apertur des optischen Abbildungssystems zu ändern. Allerdings ist das Verkleinern des Strahlfleckdurchmessers nicht das Problem, um welches es bei der Erfindung geht.
Die US-A-S 321 435 zeigt eine Laserstrahlabtastvorrichtung, bei der der Durchmesser des Laserstrahls dadurch geändert werden kann, daß eine Platte in den optischen Weg des Laserstrahls eingefügt oder aus ihm herausgerückt wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde unter den oben aufgezeigten Umständen gemacht, und es ist ein erstes ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtasten mit einem fokussierten Laserstrahl veränderlicher Dichte zu schaffen, die es ermöglichen, die Lichtausbeute zu steigern, ohne dazu ein kompliziertes und teures optisches oder Zoom-System einzubauen, wobei die Steuerung des Strahldurchmessers direkt ausgeführt wird.
Erreicht wird dieses Ziel durch die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 12 (Verfahren) bzw. des Anspruchs 2 oder 13 (Vorrichtung).
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Laserstrahl wird vorzugsweise von einem Longitudinal-Multimoden-Halbleiterlaser oder einem Halbleiterlaser emittiert, der einen hochfrequenten Strom überlagert, um einen Laserstrahl im Longitudinal-Multimodus zu emittieren. Derartige Halbleiterlaser haben eine äußerst geringe Länge des kohärenten Lichts im Vergleich zu einem Gaslaser oder einem Festkörperlaser.
Die transparente Platte kann eine Parallel-Flachplatte sein, die in der Nähe der Mitte des Lichtstroms des Laserstrahls angeordnet ist. Vorzugsweise wird die transparente Platte innerhalb des parallelen oder kollimierten Laserlichtstrahls angeordnet. Um die transparente Platte innerhalb des Lichtstroms des Laserlichts zuhalten, kann eine transparente Trägerplatte konstanter Dicke, durch die sämtlicher Lichtstrom des Laserlichts hindurchgeht, vorgesehen werden, so daß die transparente Platte daran befestigt werden kann. Außerdem kann die transparente Platte eine ringförmige transparente Platte sein.
Die Form der transparenten Platte kann auch im großen und ganzen keilförmig sein. Es gibt kein Problem mit der Form der transparenten Platte, wenn deren Stirnfläche eine gewisse Krümmung besitzt, solange die optische Wegdifferenz zwischen der Mitte und der Stirnfläche klein genug ist, damit keinerlei Interferenz entsteht. Vorzugsweise ist die Stirnfläche der transparenten Platte mit einem Antireflexionsfilm beschichtet, wobei eine schwarze Beschichtung auf die Oberfläche aufgebracht ist, durch die kein Strahl hindurchgelangen kann, so daß kein unerwünschter Lichtstrahl hindurchtreten kann.
Außerdem kann die transparente Platte in einem divergenten Strahlbündelbereich oder in einem konvergenten Strahlbündelbereich anstatt in einen Teil des parallelen Strahlbündels (des kollimierten Bündels) angeordnet sein. In diesem Fall läßt sich die Menge des Lichtstroms, die durch die transparente Platte abgeteilt ist, das ist das Verhältnis des von der transparenten Platte abgeteilten Lichtstroms zu dem Gesamt-Lichtstrom, in einfacher Weise dadurch geändert werden, daß man die Lage der transparenten Platte in einer Richtung parallel zu der optischen Achse bewegt. Es ist ebenfalls möglich, die Menge des Lichtstroms, der durch die transparente Platte hindurchgeht, dadurch zu variieren, daß man die transparente Platte gegenüber der optischen Achse kippt.
Obschon die in dem Lichtstrom angeordnete transparente Platte eine Einzelplatte sein kann, können auch zwei oder mehr transparente Platten unterschiedlicher Dicke oder optischer Weglänge vorgesehen sein. In diesem Fall muß die optische Wegdifferenz zwischen den Laserstrahlbündelteilen, die durch die einzelnen transparenten Platten hindurchlaufen, größer eingestellt werden als die Kohärenzlänge.
Anstelle der transparenten Platte kann ein optisches Umwegsystem verwendet werden, in welchem Prismen dazu benutzt werden, einen Teil des Lichtstroms über einen Umweg zu leiten, demzufolge eine optische Wegdifferenz entsteht. In diesem Fall läßt sich die optische Weglänge des optischen Umwegs dadurch einstellen, daß man die relative Lage der Prismen ändert, demzufolge die optische Wegdifferenz kontinuierlich geändert werden kann, so daß man in einfacher Weise eine optimale optische Wegdifferenz ermitteln kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben angesprochenen Ziele sowie weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der weiteren Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
1 ein Diagramm zum Veranschaulichen des Prinzips der Erfindung;
2A und 2B graphische Darstellungen, die die Intensitätsverteilungen des Lichtstrahls veranschaulichen;
3A und 3B eine Seiten- bzw. Draufsicht einer transparenten Platte P als eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahldurchmesser-Steuereinrichtung;
4A und 4B eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf eine ringförmige transparente Platte P als weitere Ausführungsform einer Strahldurchmesser-Steuereinrichtung;
Figur ein Diagramm einer weiteren Ausführungsform einer Strahldurchmesser-Steuereinrichtung, bei der ein optisches Umwegsystem zum Umleiten eines Teils des parallelen Strahlbündels vorgesehen ist;
6 ein Diagram einer Ausführungsform, bei der die Erfindung bei einer optischen Strahlabtastvorrichtung eingesetzt ist; und
7 ein Diagramm einer weiteren Ausführungsform, bei der die Erfindung in einer weiteren optischen Strahlabtastvorrichtung angewendet wird.
PRINZIP DER ERFINDUNG
1 ist ein Diagramm, welches das Prinzip der Erfindung veranschaulicht, und 2A und 2B sind graphische Darstellungen der Intensitätsverteilungen des Lichtstrahls. Zunächst auf diese Zeichnungen Bezug nehmend, soll das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
Der parallele Strahl oder das parallele Strahlbündel (der kollimierte Strahl) zeigt eine Gauß-Verteilung, in der die Intensität des parallelen Strahls sich allmählich ausgehend von der Mitte des Lichtstroms zur Außenseite hin verringert. Unter der Annahme, daß der parallele Strahl auf einer Abtastlinse (Fokussierlinse) LS von der linken Seite der 1 her auftrifft und auf einer Aufzeichnungsfläche S fokussiert wird, wird eine transparente Platte P in Form einer kreisförmigen, parallelen Flachplatte in der Mitte des parallelen Strahlbündels plaziert, wobei ihr Brechungsindex n auf 1,5 bei einer Dicke t von 3,0 mm eingestellt ist.
Wenn der einfallende parallele Strahl die transparente Platte P erreicht, läuft ein Teil einer Wellenfront Wo durch die transparente Platte P und bildet einen Strahlteil A, während die übrigen Teile der Wellenfront Wo zu einem Strahlteil B wird, der nicht durch die transparente Platte P läuft. In anderen Worten: die Wellenfront Wo wird aufgeteilt in eine Wellenfront W_A des Strahlanteils A, der durch die transparente Platte P läuft, und eine Wellenfront W_B des Strahlteils B, der gerade durchläuft, ohne die transparente Platte P zu passieren. Im Ergebnis kommt es dazwischen zu einer optischen Wegdifferenz L. Wenn der Brechungsindex von Luft n₀ beträgt, wird wegen n₀ die optische Wegdifferenz zu L = (n – n₀)t = (1,5 – 1,0) × 3,0 = 1,5 mm.
Bei einem Logitudinal-Multimoden-Halbleiterlaser ist, weil die Kohärenzlänge Lc etwa 1,0 mm beträgt, die optische Wegdifferenz L größer als die Kohärenzlänge und ist ausreichend zum Verhindern der Interferenz zwischen den Strahlteilen A und B. Deshalb stimmen die Strahlteile A und B überein mit der Summe der individuellen Intensität, nicht mit der Amplitude.
2A zeigt den Fall, daß keine transparente Platte P vorhanden ist und das Strahlbündel nicht aufgeteilt wird. In diesem Fall wird der einfallende parallele Strahl (kollimierte Strahl) mit der Intensitätsverteilung B₀ von der Fokussierlinse LS gebündelt und zu einem fokussierten Strahl verwandelt, der die Intensitätsverteilung B₁ auf der Aufzeichnungsfläche S besitzt.
2B zeigt den Fall, daß die transparente Platte P in den einfallenden Strahl gemäß 1 eingefügt ist. In diesem Fall wird der Strahlteil A mit der Intensität B_A von der Abtastlinse LS umgewandelt zu einem fokussierten Strahl mit einer Intensitätsverteilung B_1A, während der Strahlanteil B mit der Intensitätsverteilung B_B in ein fokussiertes Strahlbündel mit der Intensitätsverteilung B_1B umgewandelt wird. Beide Strahlteile A und B werden somit auf der Aufzeichnungsfläche S konzentriert und umgewandelt in ein fokussiertes Strahlbündel mit der Intensität (B_1A + B_1B), übereinstimmend mit der Summe der Einzelintensitäten B_1A und B_1B.
Im Ergebnis weitet sich der Durchmesser des fokussierten Strahlbündels (B_1A + B_1B) gemäß 2B auf, verglichen mit dem in 2A dargestellten fokussierten Strahl B₁.
Obschon jetzt der einfallende Strahl aufgeteilt wird, verringert sich die Lichtausbeute deshalb nicht, weil sämtlicher Lichtstrom (sämtliche Anteile) des einfallenden Lichtstrahls auf die Aufzeichnungsfläche S gelangt. Der Durchmesser des fokussierten Strahls (B_1A + B_1B) läßt sich in gewissen Grenzen beliebig ändern, indem man den Durchmesser der transparenten Platte P oder die optische Wegdifferenz ändert (das heißt durch Ändern des Brechungsindex n oder der Dicke t der transparenten Platte P). Die Verwendung der transparenten Platte gestaltet die Geräteanordnung einfach, und außerdem ist die Lösung billig im Vergleich zu dem herkömmlichen Mechanismus, der von mehreren Linsen oder einem Varioobjektivsystem Gebrauch macht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführung formen mit einem Strahldurchmesser-Steuersystem
3 und 4 zeigen Ausführungsformen von Strahldurchmesser-Steuereinrichtungen gemäß der Erfindung. 3A und 3B zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf eine transparente Platte gemäß einer Ausführungsform, bei der die transparente Platte P von einer transparenten Trägerplatte P_S gehalten wird, durch die sämtlicher Lichtstrom des einfallenden Strahls hindurchtritt. Die transparente Platte P ist hier eine zylinderähnliche Parallel-Flachplatte.
4A ist eine Seitenansicht einer transparenten Platte P gemäß einer weiteren Ausführungsform, und 4B ist eine Draufsicht bei Betrachtung aus der optischen Achse. Bei dieser Ausführungsform befindet sich eine ringähnliche transparente Platte P an dem Außenrand des Lichtstroms des parallelen Strahlbündels. Die in den 3A und 3B dargestellte transparente Platte P und die in den 4A und 4B dargestellte Mittelöffnung der transparenten Platte P haben vorzugsweise Kreisform, sie können aber auch eine andere Form besitzen, beispielsweise eine elliptische, rechtwinklige oder keilförmige Gestalt, abhängig von der gewünschten Form des fokussierten Strahls.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahldurchmesser-Steuersystems. Bei dieser Ausführungsform ist ein optisches Umwegsystem vorhanden, um einen Teil des Lichtstroms des parallelen Strahlbündels umzuleiten. Insbesondere befindet sich in dem Lichtstrom ein Prisma P_Z1 in Form eines zylindrischen Stabs, dessen beide Stirnflächen unter 45° angeschnitten sind, wobei Prismen P_Z2 und P_Z3 sich auf beiden Seiten befinden, so daß zusammen mit dem Prisma P_Z1 ein Umweg gebildet werden kann.
Die Prismen P_Z2 und P_Z3 können in beide seitliche Richtungen relativ zu dem Prisma P_Z1 bewegt werden, um die optische Weglänge des Umwegs kontinuierlich zu ändern. In anderen Worten: der einfallende Strahl kann aufgetrennt werden in zwei Teile, zwischen denen keine Interferenz stattfindet, indem man eine optimale optische Weglänge der Umleitung einstellt. Ein solches System führt zu einer optischen Wegdifferenz, die ausreicht zur Verwendung eines Lasers mit großer Kohärenzlänge.
Ausführungsform der Abtastvorrichtung
6 zeigt eine Ausführungsform einer optischen Abtastvorrichtung, die von einer erfindungsgemäßen Strahldurchmesser-Steuereinrichtung Gebrauch macht. In 6 bezeichnet Bezugszeichen 10 einen Halbleiterlaser als Aufzeichnungslichtquelle, von der ein Laserstrahl als Aufzeichnungslichtstrahl 12 emittiert wird. Der Lichtstrahl 12 wird über eine Kollimatorlinse 14, eine Strahldurchmesser-Steuereinrichtung 16, eine Fokussierlinse 18, einen Resonanz-Scanner 20 und eine Abtastlinse (fθ-Linse) 22 auf einen auf einer Trommel 24 gewickelten Aufzeichnungsfilm 26 geleitet.
Eine Steuerschaltung 28 steuert den Halbleiterlaser 10 so, daß der Lichtstrahl 12 abhängig von auf dem Aufzeichnungsfilm 26 aufzuzeichnenden Bilddaten ein- oder ausgeschaltet wird. Die Kollimatorlinse 14 verwandelt den Laserstrahl zu einem parallelen Strahlbündel. Die Strahldurchmesser-Steuereinrichtung 16 wird gebildet durch eine transparente Platte P oder durch das optische Umwegsystem, wie es in den 2 bis 5 dargestellt ist.
Der Resonanz-Scanner 20 besitzt einen um eine zu einer mit dem Lichtstrahlbündel abzutastenden Ebene senkrechte Achse drehbaren Spiegel, der durch Resonanz einer flachen Feder zum Schwingen gebracht wird. Die Abtastlinse 22 hält eine konstante Abtastgeschwindigkeit des Lichtstrahlbündels 12 auf dem Aufzeichnungsfilm 26 aufrecht. Darüber hinaus sind Walzen 30 vorgesehen, die den Aufzeichnungsfilm 26 in volle Berührung mit der Oberfläche der Trommel 24 bringen.
Bezugszeichen 32 bezeichnet einen Synchronsignalgenerator. Im Betrieb emittiert eine Synchronisationslichtquelle 34 einen Laserstrahl zur Verwendung als Synchronlichtstrahl 36. Dieser Lichtstrahl 36 wird über den Resonanz-Scanner 20 und einer Abtastlinse 22 zu einem Fokussierstab 38 geleitet, bei dem es sich um eine stabförmige Fokussierlinse handelt, die parallel zu und in dichter Nachbarschaft der Trommel 24 angeordnet ist. Eine Synchronisations-Referenzplatte 40 befindet sich vor dem Fokussierstab 38 und besitzt ein Gitter zum Durchlassen des Lichtstrahls 36 in bei konstanten Intervallen intermittierender Weise, wobei an einem Ende des Fokussierstabs 38 ein Photosensor 42 angebracht ist.
Wenn der Lichtstrahl 36 durch die Referenzplatte 40 auf den Fokussierstab 38 auftrifft, detektiert der Photosensor 42 den Lichtstrahl 36 und dessen Abtaststellung. Da der Lichtstrahl 36 von dem Resonanz-Scanner 20 in der gleichen Weise geführt wird wie der Aufzeichnungslichtstrahl 12, läßt sich die Abtastposition des Aufzeichnungslichtstrahls 12 aus der Abtastposition des Lichtstrahls 36 ermitteln. Darüber hinaus ist ein Synchronisations-Photosensor 44 vorgesehen, um den Abtast-Startzeitpunkt für den Lichtstrahl 36 zu erfassen.
Im folgenden wird die Steuerschaltung 28 beschrieben. Ein Ausgangssignal von dem Photosensor 44 wird von einem Zeilen-Synchronisationssignal-Generator 36 geformt und zu einem Zeilen-Synchronisationssignal LSY umgewandelt, während ein Ausgangssignal von dem Photosensor 42 durch den Synchronisationssignalgenerator 48 einer Wellenformung unterzogen und zu einem Synchronsignal SY umgewandelt wird. Beide Synchroni sationssignale werden in die Steuerschaltung 28 eingegeben, die dem Synchronsignal SY eine passende Zeitverzögerung verleiht.
Basierend auf Daten von einer (nicht gezeigten) CPU, die einen Aufzeichnungsbereich repräsentieren, erzeugt die Steuerschaltung 24 ein Aufzeichnungsflächensignal AR synchron mit einem Synchronsignal SYD, welches zu Beginn einer Horizontalen oder Hauptabtastzeile in dem Flächenbereich veranlaßt wird.
Andererseits wird das Synchronsignal SY mit einer PLL-Schaltung als Frequenzvervielfacher multipliziert. Beispielsweise wird die Frequenz des Synchronsignals SY mit einem Faktor 10 multipliziert, und es wird ein Bilddatentakt CL erhalten, indem das logische Produkt (UND-Operation) des Synchronsignals SY und des Aufzeichnungsflächensignals AR gebildet wird.
Der Bilddatentakt CL ist ein Zeitsteuerimpuls, mit dem ein Bild auf Abtastzeilen geschrieben wird. Der Takt CL wird in einen Modulationssignalgenerator 50 zusammen mit von einem nicht gezeigten Bilddatengenerator gesendeten Bilddaten eingegeben, und von dem Modulationssignalgenerator 50 wird ein Treibersignal D zum Treiben des Halbleiterlasers 10 erzeugt.
Wenn bei dieser Ausführungsform das Bild mit hoher Aufzeichnungsdichte auf dem Aufzeichnungsfilm 26 aufgezeichnet wird, das heißt mit hoher Abtastdichte, so wird die Strahldurchmesser-Steuereinrichtung 16, die aus der transparenten Platte P besteht, aus dem optischen Weg entfernt, demzufolge sich der Durchmesser des fokussierten Strahls verringert, wie in 2A bei B₁ dargestellt ist. Bei geringer Aufzeichnungsdichte wird die transparente Platte eingefügt, um den Strahldurchmesser des fokussierten Strahls (B_1A + B_1B) gemäß 2B aufzuweiten. Wenn von dem in 5 dargestellten optischen Umwegsystem anstelle der transparenten Platte P Gebrauch gemacht wird, läßt sich der Durchmesser des fokussierten Strahls durch Einstellen der Lage des Prismas P_Z2 ändern.
Weitere Ausführungsform der Abtastvorrichtung
7 zeigt ein Konzept einer Abtast-Bildaufzeichnungsvorrichtung vom Typ mit zylindrischer Innenfläche gemäß einer weiteren Ausführungsform. 7 zeigt drei Laserdioden 60 (60a, 60b und 60c) zur Verwendung als Lichtstrahlausgabeeinrichtung, von denen jede einen Laserstrahl 62 (62a, 62b oder 62c) mit identischer Wellenlänge und identischer Intensität emittiert. Diese Laserstrahlen 62a, 62b und 62c gelangen durch Kollimatorlinsen 64 (64a, 64b und 64c), zweidimensionaler akustooptischer Ablenkelemente AOD (AODa, AODb und AODc), AOD-Strahlungslinsen 66 (66a, 66b und 66c), Lichtbegrenzungsplatten 68 (68a, 68b und 68c) und Kollimatorlinsen 70 (70a, 70b und 70c), kombiniert durch ein optisches System 72.
Jeder der Laserstrahlen 62 (62a, 62b und 62c) wird von der Kollimatorlinse 64 zu einem parallelen Lichtstrahlbündel geformt, von dem AOD abgelenkt, so daß nur ein primär gebeugter Strahl des Lichts beim Durchgang durch die AOD-Strahlungslinse 66 und die Lichtbegrenzungsplatte 68 ausgewählt wird. Der ausgewählte Strahl wird dann in einen parallelen Lichtstrahl zurückgewandelt und der Wellenkombinieroptik 72 zugeleitet.
Der AOD wird von einem Wandler getrieben, der eine Überschallwelle gegebener Frequenz erzeugt, wenn ein Drehwinkel θ eines Spinners 84 sich in einer unten noch zu beschreibenden Weise ändert. Der primär gebeugte Lichtstrahl, der durch den AOD erzeugt wird, wird von der Lichtabtrennplatte 68 ausgewählt. Der Wandler steuert die Ablenkrichtung des primär gebeugten Lichtstrahls nach Maßgabe der Treiberfrequenz. Beim Ein- oder Ausschalten eines binären Bildsignals wird das Ausgangssignal der Laserdiode 60 ein- oder ausgeschaltet, um den Laserstrahl 62 ein- oder auszuschalten.
Bei der dargestellten Ausführungsform ändern die drei AODs die Laserstrahlen 62a, 62b und 62c zweidimensional, um Krümmungen und Intervalle der Abtastzeilen zu korrigieren.
Die Wellenkombinieroptik 72 besteht aus einem totalreflektierenden Spiegel M, einem polarisierten Strahlteiler PBS und einem Strahlteiler BS. Die Laserdioden 60a, 60b und 60c geben jeweils einen linear polarisierten Laserstrahl aus, und die jeweiligen Polarisationsrichtungen sind gemäß den Pfeilen in 7 eingestellt.
Speziell gesagt, sind die Laserdioden 60a und 60c jeweils unter einem solchen Winkel gelagert, daß sie einen derart polarisierten Strahl (P-polarisierten Strahl) ausgeben, bei dem eine Schwingungsebene eines elektrischen Felds einer Einfallebenen-Welle am Spiegel M bzw. dem Strahlteiler parallel ist zu der Einfallebene (in der sowohl das einfallende Licht als auch das reflektierte Licht enthalten sind). Der Anbringungswinkel der Laserdiode 60b ist so eingestellt, daß die Diode einen derart polarisierten Strahl (S-polarisierten Strahl) ausgibt, daß die Schwingungsebene eines elektrischen Felds der Einfallebenen-Welle zu dem polarisierten Strahlteiler PBS rechtwinklig zu der Einfallebene verläuft.
Die Laserstrahlen 62a, 62b und 62c werden im wesentlichen zu einem Laserstrahl L₀ kombiniert. Obschon der Laserstrahl L₀ in 7 als einzelnes Lichtstrahlsbündel dargestellt ist, besteht er tatsächlich aus drei Strahlbündeln, deren optische Achsen voneinander verschiedene Richtungen besitzen.
Strahlaufweitungslinsen 74 und 76 weiten den Durchmesser des kombinierten Laserstrahls L₀ zusätzlich auf und ändern den Durchmesser, anschließend beseitigt eine Blendenplatte 78 Flackerlicht (Streulicht) und steuert den Durchmesser des Lichtstroms. Anschließend daran gelangt der Lichtstrahl L₀ durch eine Strahldurchmesser-Steuereinrichtung 80 und wird entlang der Mittelachse der Trommel 82 in das Innere der Trommel 82 geleitet. Auf der Achse der Trommel 82 befindet sich ein Spinner 84 als optischer Scanner.
Der Spinner 84 besitzt eine Reflexionsebene, die um 45° zu der Mittelachse (Drehachse) geneigt ist und von einem Motor mit hoher Drehzahl angetrieben wird. Der Motor ist mit einem Drehkodierer 86 ausgestattet, so daß ein Drehwinkel (θ = ωt) des Spinners 84 erfaßt werden kann. Im Ergebnis werden ein Impulssignal p bei jedem vorbestimmten Drehwinkel und ein Referenzstellungssignal P₀ entsprechend einer Referenzstellung für jede Umdrehung ausgegeben. Der Strahl L₀, der dem Spinner 84 zugeleitet wird, wird von einer auf der Drehachse befindlichen Fokussierlinse 88 fokussiert, so daß der Strahl L₀ auf die Innenfläche der Trommel 82 oder einen Aufzeichnungsbogen fokussiert wird. Eine Steuerung 90 steuert die AODs synchron mit dem Drehwinkel θ des Spinners 84, um Krümmungen und Abstände der Abtastzeilen zu korrigieren.
Bei dieser Ausführungsform wird die transparente Platte P oder das optische Umwegsystem nach den 3 bis 5 als Strahldurchmesser-Steuereinrichtung 80 verwendet. Die Verwendung der Strahldurchmesser-Steuereinrichtung 80 ermöglicht es, die drei Strahlen 62a, 62b und 62c in ihrem fokussierten Strahldurchmesser gleichzeitig auf der Aufzeichnungsfläche zu ändern. Wenn zum Beispiel die Aufzeichnungsdichte groß ist, wird die transparente Platte oder das Prisma P_Z1 als Strahldurchmesser-Steuereinrichtung 80 entfernt, so daß der Strahldurchmesser verkleinert wird. Wenn die Aufzeichnungsdichte gering ist, wird entweder die transparente Platte oder das Prisma P_Z1 eingefügt, und die Prismen P_Z2 und P_Z3 werden entfernt, so daß der Strahldurchmesser aufgeweitet wird.
Obschon die obigen Ausführungsformen dazu dienen, bei dem Strahldurchmesser-Steuerverfahren und der Strahldurchmesser-Steuervorrichtung gemäß der Erfindung für ein optisches Strahlabtastgerät eingesetzt zu werden, läßt sich die Erfindung auch bei anderen Geräten einsetzen. Die Erfindung ist immer dann anwendbar, wenn das Erfordernis besteht, einen Strahldurchmesser zu ändern, so zum Beispiel in einer Vorrichtung zum Lesen von Bildern mit einem Laserstrahl, in einer Laserstrahl-Zerspanungseinrichtung, einem medizinischen Gerät und in einem Meßinstrument.
Erfindungsgemäß wird ein Strahldurchmesser mit Hilfe eines Verfahrens geändert, bei dem eine optische Wegdifferenz gleich oder größer als die Kohärenzlänge eines Laserstrahls auf einem Teil des Lichtstroms des Laserstrahlbündels angewendet wird, demzufolge die Lichtausnutzung verbessert werden kann im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren, welches mit einer Aperturblende arbeitet. Die Ausgestaltung ist vereinfacht, abgesehen davon ist die Lösung billig, da nicht die Notwendigkeit besteht, ein kompliziertes und teures optisches System oder ein Zoom-System einzusetzen.
Der hier verwendete Laserstrahl wird passender Weise von einem Halbleiterlaser im Longitudinal-Multimodus emittiert. Andere Halbleiterlaser können aber ebenfalls eingesetzt werden, zum Beispiel ein Laser, der hochfrequenten Strom überlagert, um einen Laserstrahl im Longitudinal-Multimodus zu emittieren.
Die transparente Platte zum Erzeugen einer optischen Wegdifferenz kann eine zylinderähnliche Parallel-Flachplatte sein, die im Lichtstrom des Laserstrahls angeordnet ist. In diesem Fall kann die transparente Platte von einem transparenten Plattenträger gehalten werden, der sämtlichen Lichtstrom durchläßt. Ebenfalls kann anstelle der zylinderähnlichen Parallel-Flachplatte eine ringförmige transparente Platte verwendet werden. Eine solche transparente Platte und transparente Trägerplatte befinden sich vorzugsweise in dem parallelen Teil (kollimierten Teil) des Laserstrahlbündels.
Die transparente Platte kann ersetzt werden durch ein optisches Umwegsystem, in welchem Prismen dazu dienen, einen Teil des Laserstrahlbündels umzuleiten. Bei einem solchen Aufbau kann die optische Umweglänge groß genug sein, um einen Laserstrahl verwenden zu können, der eine relativ große Kohärenzlänge besitzt.
Das Strahldurchmesser-Steuerverfahren und -einrichtung gemäß der Erfindung können angewendet werden bei einem optischen Strahlabtastgerät zum Aufzeichnen von Bildern mittels Laserstrahl, der eine Aufzeichnungsfläche abtastet. Ebenfalls anwendbar ist die Erfindung bei einer optischen Abtastvorrichtung zum Lesen von Bildern mit einem Laserstrahl, der eine Aufzeichnungsfläche abtastet. In diesen Fällen läßt sich der Strahldurchmesser in einfacher Weise abhängig von der Aufzeichnungsdichte oder der Lesedichte ändern.

Claims

Abtastverfahren zum Abtasten mit einem fokussierten Laserstrahl veränderlicher Dichte, der einen nicht aufgeweiteten oder einen aufgeweiteten Durchmesser besitzt, umfassend: Bereitstellen einer transparenten Platte (P) zum Teilen des Lichtstroms eines Laserstrahlbündels in einen Teil (A), der durch die transparente Platte (P) hindurchgeht, und einen weiteren Teil (P), der nicht durch die transparente Platte (P) hindurchgeht, um zwischen dem Teil (A) des Lichtstroms und dem weiteren Teil (B) des Lichtstroms eine optische Wegdifferenz zu schaffen, die gleich oder größer ist wie bzw. als eine Kohärenzlänge des Laserstrahls, und der Teil (A) und der weitere Teil (B) des Lichtstroms räumlich nicht zusammenfallen, wobei die transparente Platte (P) aus dem optischen Weg des Laserstrahlbündels entfernbar ist; Bereitstellen einer Fokussierlinse (18) hinter der transparenten Platte; Einfügen der transparenten Platte in den optischen Weg des Laserstrahlbündels und Fokussieren des gesamten Laserstrahlbündels mit der Fokussierlinse einschließlich des Teils (A) des Lichtstroms und des weiteren Teils (B) des Lichtstroms zur Abtastung mit dem fokussierten Laserstrahlbündel aufgeweiteten Durchmessers; und Entfernen der transparenten Platte (P) aus dem optischen Weg des Laserstrahlbündels und Fokussieren des Laserstrahlbündels mit der Fokussierlinse, um eine Abtastung mit dem fokussierten Laserstrahlbündel nicht aufgeweiteten Durchmessers vorzunehmen.
Abtastvorrichtung zum Abtasten mit einem Laserstrahlbündel veränderlicher Dichte, wobei das Laserstrahlbündel einen nicht aufgeweiteten oder einen aufgeweiteten Durchmesser besitzt, umfassend: eine transparente Platte (P) zum Teilen des Lichtstroms eines Laserstrahlbündels in einen Teil (A), der durch die transparente Platte (P) hindurchgeht, und einen weiteren Teil (B), der nicht durch die transparente Platte (P) hindurchgeht, so daß zwischen dem Teil (A) des Lichtstroms und dem weiteren Teil (B) des Lichtstroms eine optische Wegdifferenz entsteht, die gleich oder größer ist wie bzw. als eine Kohärenzlänge des Laserstrahlbündels, wobei der Teil (A) und der weitere Teil (B) des Lichtstroms räumlich nicht zusammenfallen und die transparente Platte (P) aus dem optischen Weg des Laserstrahlbündels entfernbar ist; eine Fokussierlinse (18), die hinter der transparenten Platte angeordnet ist; wobei, wenn die transparente Platte (P) in den optischen Weg des Laserstrahlbündels eingefügt ist, die Fokussierlinse (18) das gesamte Laserstrahlbündel fokussiert, einschließlich des Teils (A) des Lichtstroms und des weiteren Teils (B) des Lichtstroms, um eine Abtastung mit dem fokussierten Laserstrahlbündels erweiterten Durchmessers durchzuführen; und wobei, wenn die transparente Platte (P) aus dem optischen Weg des Laserstrahlbündels entfernt ist, dieses mit der Fokussierlinse zum Abtasten mit dem Laserstrahlbündel nicht aufgeweiteten Durchmessers fokussiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die transparente Platte (P) eine einzelne transparente Platte (P) zum Erzeugen der optischen Wegdifferenz zwischen dem Teil des Lichtstroms und dem weiteren Teil (B) des Lichtstroms ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der eine Lichtquelle (10) des Laserstrahlbündels ein Longitudinal-Multimoden-Halbleiterlaser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der eine Lichtquelle (10) des Laserstrahlbündels ein Halbleiterlaser ist, der einen hochfrequenten Strom überlagert, um das Laserstrahlbündel in einem Longitudinal-Multimodus zu emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die transparente Platte (P) eine zylinderähnliche transparente Parallel-Flachplatte ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die zylinderähnliche Parallel-Flachplatte mit ihrer Achse parallel zu dem Lichtstrom des Laserstrahlbündels orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die transparente Platte (P) eine ringähnliche Parallel-Flachplatte mit einer Mittelöffnung ist, so daß nur ein äußerer Randbereich des Lichtstroms des Laserstrahlbündels durch die transparente Platte gelangt, während ein mittlerer Bereich des Lichtstroms des Laserstrahlbündels durch die Mittelöffnung läuft.
Vorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin umfassend einen Kollimator (14), der vor der transparenten Platte (P) angeordnet ist, wobei der Lichtstrom des Laserstrahlbündels von dem Kollimator (14) kollimiert wird und die transparente Platte sich in dem kollimierten Lichtstrom des Laserstrahlbündels befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die transparente Platte (P) von einer transparenten Trägerplatte (Ps) derart gehaltert wird, daß der gesamte Lichtstrom des Laserstrahlbündels durch die transparente Trägerplatte (Ps) läuft.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die transparente Platte (P) austauschbar ist mit einer anderen transparenten Platte, die für eine andere optische Wegdiffe renz zwischen dem Teil (A) des Lichtstroms und dem weiteren Teil (B) des Lichtstroms sorgt.
Abtastverfahren zum Abtasten mit einem fokussierten Laserstrahl veränderlicher Dichte, wobei das fokussierte Laserstrahlbündel einen nicht aufgeweiteten oder einen aufgeweiteten Durchmesser besitzt, umfassend: Bereitstellen eines optischen Umwegsystems (P_z1, P_z2, P_z3) zur Schaffung eines optischen Umwegs, welches nur einen Teil des Lichtstroms des Laserstrahlbündels umleitet, wobei die optische Wegdifferenz zwischen dem Teil des Lichtstroms, der durch den optischen Umweg läuft, und dem weiteren Teil des Lichtstroms, der nicht durch den optischen Umweg läuft, größer ist als eine Kohärenzlänge des Laserstrahlbündels, wobei der Teil und der weitere Teil des Lichtstroms räumlich nicht zusammenfallen, und das optische Umwegsystem beinhaltet: ein erstes Prisma (P_z1), welches in den optischen Weg des Laserstrahlbündels einführbar ist; und ein zweites und ein drittes Prisma (P_z2, P_z3), die außerhalb des optischen Wegs des Laserstrahlbündels vorgesehen sind; Bereitstellen einer Fokussierlinse (18), die sich hinter dem optischen Umweg befindet, die das gesamte Laserstrahlbündel fokussiert, einschließlich des Teils des Lichtstroms und des weiteren Teils des Lichtstroms, um eine Abtastung mit dem fokussierten Laserstrahlbündel ausgeweiteten Durchmessers durchzuführen; und Entfernen des ersten Prismas (P_z1) aus dem optischen Weg des Laserstrahls und Fokussieren des Laserstrahlbündels mit der Fokussierlinse (18), um eine Abtastung mit dem fokussierten Laserstrahlbündel nicht aufgeweiteten Durchmessers vorzunehmen.
Abtastvorrichtung zum Abtasten mit einem fokussierten Laserstrahlbündel veränderlicher Dichte, wobei das fokussierte Laserstrahlbündel einen nicht aufgeweiteten oder einen aufgeweiteten Durchmesser besitzt, umfassend: ein optisches Umwegsystem (P_z1, P_z2, P_z3) zur Schaffung eines optischen Umwegs, welches nur einen Teil des Lichtstroms des Laserstrahlbündels umleitet, wobei die optische Wegdifferenz zwischen dem Teil des Lichtstroms, der durch den optischen Umweg läuft, und dem weiteren Teil des Lichtstroms, der nicht durch den optischen Umweg läuft, größer ist als eine Kohärenzlänge des Laserstrahlbündels, wobei der Teil und der weitere Teil des Lichtstroms räumlich nicht zusammenfallen, und das optische Umwegsystem beinhaltet: ein erstes Prisma (P_z1), welches in den optischen Weg des Laserstrahlbündels einführbar ist; und ein zweites und ein drittes Prisma (P_z2, P_z3), die außerhalb des optischen Wegs des Laserstrahlbündels vorgesehen sind; eine Fokussierlinse (18), die hinter dem optischen Umweg angeordnet ist, um das gesamte Laserstrahlbündel zu fokussieren, einschließlich des durch den optischen Umweg laufenden Teils und des weiteren Teils, der nicht durch den optischen Umweg läuft, um den Fokusdurchmesser des Laserstrahlbündels aufzuweiten; wobei, wenn das erste Prisma (P_z1) in den optischen Weg des Laserstrahlbündels eingefügt ist, die Fokussierlinse (18) das gesamte Laserstrahlbündel fokussiert, einschließlich des Teils des Lichtstroms und des weiteren Teils des Lichtstroms, um eine Abtastung mit dem fokussierten Laserstrahlbündel aufgeweiteten Durchmessers vorzunehmen; wobei dann, wenn das erste Prisma (P_z1) aus dem optischen Weg des Laserstrahlbündels entfernt ist, das Laserstrahlbündel mit der Fokussierlinse zum Abtasten mit dem fokussierten Laserstrahlbündel nicht aufgeweiteten Durchmessers fokussiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der eine Länge des optischen Umwegs einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Länge des optischen Umwegs dadurch eingestellt wird, daß eine relative Lage des zweiten und des dritten Prismas (P_z2, P_z3) in bezug auf das erste Prisma (P_z1) geändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, weiterhin umfassend einen Kollimator (14), der sich vor dem optischen Umweg befindet, wobei der Lichtstrom des Laserstrahlbündels von dem Kollimator kollimiert wird.