DE4391446C2

DE4391446C2 - Laserstrahl-Scanner

Info

Publication number: DE4391446C2
Application number: DE4391446A
Authority: DE
Inventors: Anwar S Khattak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2013-03-10
Also published as: GB2271437B; GB2271437A; DE4391446T1; AU3796793A; WO1993020471A1; GB9322207D0; US5227910A

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserstrahl-Scanner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Fortschritte in der Lasertechnik haben zu zahlreichen neuen Anwendungen in der Industrie und bei Verbrauchern ge führt. Die üblichen Laserstrahl-Scanner sind unter anderem polygonale Spiegelscanner, galvanometrische Scanner, holo graphische Scanner und akusto-optische Strahlablenker. Mo derne Laserstrahl-Scanner lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: präobjektive Scanner und postobjektive Scanner. Letztere sind dadurch gekennzeichnet, daß sie eine gekrümmte Kurve oder Bildebene abtasten. Demgegenüber tasten präobjek tive Scanner gerade Linien oder eine flache Bildebene ab. Die Erfindung betrifft vornehmlich präobjektive Scanner, kann aber auch bei postobjektiven Systemen Verwendung fin den.

Die meisten bekannten Laserstrahl-Scanner finden mannigfache Verwendung, beispielsweise als Laserprinter, Lesegeräte für Strichcodierungen. Moderne Laserdrucker benutzen be kannte Laserstrahl-Scanner mit einem rotierenden Spiegel, der den Laserstrahl auf eine rotierende Trommel richtet. Der Laserstrahl schreibt mehrere hundert Punkte pro Inch auf eine photoempfindliche Oberfläche der Trommel. Die Trommel wird dann gedreht und die photoempfindliche Fläche mit Toner behandelt, der sich an die Abschnitte anlegt, die vorher ab getastet wurden. Die Trommel wird dann gedreht, um das To nerbild auf einen Aufzeichnungsträger, wie Papier, zu über tragen.

Moderne Strichcodeleser benutzen einen Laserstrahl-Scanner mit einem Spiegel, der den Laserstrahl in einem Abtast schritt über das Strichcode-Etikett an einem Produkt führt. Das am Scanner ausgetretene Licht wird an dem Etikett re flektiert und von einer Photodiode ausgewertet. Das optische Signal wird dann in ein elektrisches Signal zur Verarbeitung umgewandelt.

Die Verwendung eines rotierenden polygonalen Spiegels oder eines Flachspiegels ist eine wesentliche Komponente in mo dernen Scannern, um den Laserstrahl genau auf eine gezielte Abtastbahn zu richten. Wesentliche Gesichtspunkte für einen brauchbaren Scanner sind dabei die Abtastgeschwindigkeit, die gewünschte Systemgenauigkeit, der verfügbare Abtast winkel sowie die Auflösung des Systems, die Fähigkeit belie bige Bildpunkte anzusteuern, der elektrische Leistungsbedarf sowie die Kosten.

Fig. 1 zeigt einen konventionellen Laserstrahl-Scanner 10 mit einem rotierenden polygonalen Spiegel 12, der in Pfeil richtung 14 im Uhrzeigersinn rotiert. Der Scanner 10 besitzt eine Laserquelle 16 zur Abgabe eines Laserstrahls 18. Ein Laserexpander 20 liegt zwischen der Laserquelle 16 und dem Spiegel 12 und expandiert den Laserstrahl 18 in einen Laser strahl 22, der einen größeren Querschnitt besitzt. Der ex pandierte Laserstrahl 22 wird auf eine Fläche 24 des rotie renden polygonalen Spiegels 12 gelenkt. Der Laserstrahl 22 hat Randstrahlen 26a und 26b, die an der Fläche 24 des Spie gels 12 reflektiert werden und einen Laserstrahl 28 liefern. Der Scanner 10 weist ferner eine Abtastlinse 30 auf, die den Laserstrahl 28 auf den Abtastpunkt 32 auf einer Abtastzeile 34 fokussiert. In konventionellen Scannern ist der Laser punkt 32 etwa 85 bis 140 µ groß, wenn es sich um einen La serdrucker handelt.

Der Laserstrahl 28 fällt auf die Abtastlinse 30 in unter schiedlichen Winkeln, wenn der Spiegel 12 rotiert. Rotiert der Spiegel beispielsweise im Uhrzeigersinn, so wandert der Laserstrahl 28 von einer gestrichelt dargestellten Anfangs position (Laserstrahl 36) in eine ebenfalls gestrichelt dar gestellte Endposition (Laserstrahl 38). Ein Abtastschritt des Laserstrahls 28 resultiert in einer Abtastung vom Punkt a zu Punkt b längs der Abtastzeile 34 in einer Richtung.

Der polygonale Spiegel 12 rotiert in einer einzigen Rich tung, die eine Einwegabtastung auf der Abtastzeile 34 be wirkt. Hat der Laserpunkt 32 die Abtastebene vom Punkt a bis zum Punkt b überquert, so springt der Laserpunkt 32 zum Punkt a zurück, so daß also die Rückkehrbewegung (wenn also der Laserstrahl auf der Abtastzeile 34 vom Punkt b zum Punkt a zurückkehrt) nicht zur Abtastung verwendet wird.

Ein rotierender polygonaler Spiegel 12 ist die am häufigsten benutzte Abtastkomponente in vielen modernen Laserscannern. Dummerweise ist nun diese Komponente der Funktion und den Kosten nach mit wesentlichen Nachteilen behaftet. Der poly gonale Spiegel wird für gewöhnlich auf einer Motorwelle be festigt, die dem Spiegel die gewünschte Winkelgeschwindig keit verleiht. Bei höheren Gewichten des Spiegels und/oder höheren Winkelgeschwindigkeiten gerät der Spiegel infolge Lagerungenauigkeiten ins Taumeln. Darunter leidet die Farbqualität und oft resultiert daraus ein bedeutender Abtastfehler. Mit diesem Fehler ist die Abweichung des Laserstrahlpunktes vom gewünschten Abtastpfad gemeint. Von den Taumelbewegungen des Spiegels verursachte Abtastfehler erhöhen sich mit dem Abstand infolge der Strahldivergenz bei der Reflektion an der Spiegelfläche. Um die mit den Taumel bewegungen einhergehenden Nachteile zu vermeiden, lassen sich Präzisionsmotore mit sehr festen Wellen verwenden oder man führt Korrekturwerte ein, um die von den Taumelbewegun gen veranlaßten Abtastfehler zu kompensieren. In diesem Sinne wird auf Optical Scanning by Gerald Marshall, Kapitel 2; Polygonale Scanner, Randy J. Sherman, S. 63-123, verwie sen. Präzisionsmotoren oder Fehlerkorrekturwerte erhöhen je doch die Herstellungskosten des Systems erheblich.

Ein anderer bei rotierenden polygonalen Spiegeln auftreten der Nachteil besteht in dem engen Abtastwinkel. Der Abtast winkel ist unmittelbar von der Flächenbreite des polygonalen Spiegels abhängig. Laserstrahl-Scanner mit polygonalen Spie geln bedürfen einer Abwägung zwischen der Abtastgeschwin digkeit und dem Abtastwinkel. Spiegel mit wenigen, aber breiten Flächen erzeugen einen vernünftigen Abtastwinkel, jedoch nur bei niedriger Abtastgeschwindigkeit. Andererseits können polygonale Spiegel mit einer größeren Anzahl von Flä chen mit höherer Geschwindigkeit abtasten, jedoch nur mit einem kleinen Abtastwinkel. Man kann natürlich auch die Spiegelabmessungen vergrößern, um mehr "breite" Seiten zu erhalten, doch führt dies zu höheren Kosten und zu entspre chend großen Antriebsmotoren.

In U. S. Patentschrift 5,074,628 ist ein Laserscanner erläu tert, der den vorgenannten Abtastfehler reduziert. Es wird ein Prisma eingesetzt, um den Laserstrahl kontinuierlich ab zulenken und einen konischen Laserstrahl zu erzeugen, der aufgefangen wird und einen eingeschriebenen Kreis erzeugt. Der eingeschriebene Kreis wird von einer planzylindrischen Linse und einer Abtastlinse fokussiert, um in einer oder meh reren Richtungen eine Abtastung auf mehreren unterschiedli chen Abtastbahnen zu liefern. Die planzylindrische Linse zum Fokussieren des eingeschriebenen Kreises erzeugt eine im we sentlichen kurze Abtastzeile (im Gegensatz zu einem ellipti schen oder kreisförmigen Abtastpunkt), die in vielen Anwen dungen wünschenswert ist, wie in linearen Detektoranordnun gen.

Die vorliegende Erfindung richtet sich im wesentlichen da rauf, die mit den beschriebenen Taumelbewegungen einherge henden Nachteile zu vermindern oder zu eliminieren, wie den Abtastfehler und die Einschränkungen des Abtastwinkels zu vermeiden. Außerdem soll es mit der Erfindung möglich sein, einen im wesentlichen elliptischen oder kreisförmigen Ab tastpunkt von sehr kleiner Größe zu erzeugen, indem die Aberrationen die verringert werden, um für die Abtastung eine sehr hohe Auflösung zu erzielen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nach stehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Scanners mit rotierendem polygonalem Spiegel,

Fig. 2 ein Prisma, an dem gezeigt wird, wie eine signi fikante Taumelbewegung zu einer unwesentlichen Strahlverlagerung unterdrückt wird,

Fig. 3 eine Darstellung des Verhältnisses zwischen einer signifikanten Prismataumelbewegung, die in eine unwesentliche Ausgangsstrahlverschiebung trans formiert wird, die von der Prismabewegung in Fig. 2 veranlaßt ist,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungs form eines erfindungsgemäßen Laserstrahl-Scanners,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des in Fig. 4 dar gestellten Scanners mit einer zusätzlichen Laser strahl-Nachstellung und

Fig. 6a und 66 vergrößerte Laserabtastpunkte, die von den Scan nern der Fig. 4 und 5 geliefert werden.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Laserstrahl-Scanner 40 mit einer Laserquelle 42 und einem Prisma 44. Fig. 2 soll die Vorteile zeigen, wenn man als Strahlablenker ein Prisma und nicht einen polygonalen Spiegel verwendet. Ein wesentlicher Vorteil des Prismas liegt darin, daß die mit Taumelbewegun gen verbundenen Fehler, wie den vorgenannten Abtastfehler wesentlich verringert werden können.

Die Quelle 42 emittiert einen Laserstrahl 46', der am Prisma 44 gebrochen und abgelenkt wird. Das Prisma 44 ist in einer Lage dargestellt, in der es gegenüber einer Ursprungslage 46 (gestrichelt) verschwenkt ist. Diese Schwenkung wird von der Taumelbewegung veranlaßt und ist stark überzeichnet, um die Vorteile des Prismas zu zeigen, mit dem die beim Taumeln auftretenden Probleme gemeistert werden. Das Prisma 44 ist um einen "Taumel" θ₁ gegenüber der Normalen n geschwenkt. Der auftreffende Laserstrahl 46' tritt in das Prisma 44 unter dem Taumelwinkel θ₁ ein und wird im Prisma gebrochen. Der in terne Brechungswinkel θ₂ wird nach dem Snellius'schen Gesetz wie folgt berechnet;

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

wobei n₁ = 1, Brechungsindex des freien Raums,
n₂ = Brechungsindex des Prismamaterials.

Der gebrochene Strahl 48 tritt durch das Prisma 44 unter ei nem Winkel (θ₁ - θ₂) hindurch, der kleiner als θ₂ ist. Der Strahl 48 wird dann an der zweiten Fläche des Prismas 44 nochmals gebrochen und tritt als Strahl 50 aus. Ein Aus trittsstrahl, der das (bei Abwesenheit einer Taumelbewegung) Prisma in seiner unverdrehten Lage 46 durchsetzt, ist gestri chelt darge stellt und mit 52 bezeichnet. Die Austrittsstrahlen 50 und 52 sind immer parallel zueinander, wegen der Prismen inne wohnenden internen Brechung. Der Versatz ∈ω, d. h. der Ab stand zwischen den beiden Austrittsstrahlen 50 und 52 kann für den Winkel (θ₁- θ₂) wie folgt berechnet werden:

Eω = ysin (θ₁ - θ₂)

wobei y die Dicke des Prismas am Zentrum ist.

Ein aus dieser Darstellung hervorgehender Vorteil der Er findung liegt darin, daß der durch Taumeln veranlaßte Winkel (d. h. ∈ω) wesentlich verringert wird und im Abstand vom Prisma 44 konstant bleibt, da die Austrittsstrahlen 50 und 52 immer parallel zueinander liegen. Dies ist ein wesentli cher Vorteil gegenüber polygonalen Spiegeln, bei denen der Taumelfehler porportional mit zunehmendem Abstand vom Spie gel ansteigt.

Der Versatz ∈ω ist mit dem Abtastfehler verknüpft. In einem Scanner mit Prisma gemäß Fig. 2 ist der Versatz ∈ω prak tisch vernachlässigbar. Für einen Versuch lieferte eine Laserquelle 42 einen Helium-Neon-Laserstrahl von der Wellen länge λ = 632,8 nm und wurde ein Prisma mit sieben Dioptrin bei einem Brechungsindex von 1,515 und einer Dicke y = 3,67 mm benutzt. Eine "Dioptrie" ist definiert als die Abweichung eines Laserstrahls um einen Zentimeter (1 cm) in einer Ent fernung von einhundert Zentimeter (100 cm) von der Aus trittsseite des Prismas. Ein Prisma mit einem Melles Griot Schott Glas BK7 hat sich für diese Versuche als zufrieden stellend erwiesen. Das Prisma hat einen Durchmesser von 10 mm und eine Höhe am schmalen Ende von 3 mm. Das Prisma wurde unter verschiedenen unterschiedlichen Winkeln gedreht, um die Taumelbewegung zu imitieren. Das Verhältnis zwischen dem Taumelwinkel θ₁ und dem Versatzfehler ∈ω ist in Fig. 3 dar gestellt. Wie erwartet ist das Verhältnis linear. Für einen signifikanten 20 sec Taumelwinkel beträgt der Versatz des Austrittsstrahls nur ±0,12 µ. Dieser Versatz ist geringer als 1/1000 des Laserpunktdurchmessers, der bei einem Laser druck beispielsweise 130 bis 140 µ trägt. Somit ist trotz einer recht signifikanten Taumelbewegung im Deflektorprisma der resultierende Winkel praktisch vernachlässigbar, der durch die Taumelbewegung veranlaßt ist.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Laserstrahl-Scanner 60 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Scanner 60 besitzt eine Quelle 62, eine Deflektoreinrichtung 64, eine sphärische Linse 66 und einen sphärischen Reflektor 68. Die Quelle 62 emittiert einen Laserstrahl 70, der vorzugsweise gebündelt längs einer Achse 75 auf die Deflektoreinrichtung 64 trifft. Die Quelle 62 kann eine Laserdiode, ein Helium-Neon-Laser, ein Kohlenstoffdioxid-Laser oder eine andere Laserquelle sein. Alternativ können auch andere Strahlungsquellen (im elek tromagnetischen Spektrum) benutzt werden. Für die Laser quelle 62 kann ein Laserstrahlgenerator, ein Strahlexpander zum Vergrößern der Querschnittsfläche und eine Sammellinse zum Bündeln des Laserstrahls vorgesehen sein. Gemäß Dar stellung soll die Quelle 62 einen vorzugsweise gebündelten Laserstrahl 70 liefern.

Die Deflektoreinrichtung 64 besitzt eine rotierende Hohl welle 72, die vom Motor 74 angetrieben ist. Am einen Ende der Hohlwelle 72 ist in der Deflektoreinrichtung 64 ein Prisma 76 angeordnet. Die Hohlwelle 72 und das Prisma 76 werden vom Motor 74 drehbar um die Drehachse 75 angetrieben. Das Prisma 76 kann einseitig sein, wie das Glas BK7, kann aber auch mehrseitig sein. Der Laserstrahl 70 tritt in das Prisma 76 ein und verläßt es als Laserstrahl 78 unter einem Winkel α zur Achse 75 in Richtung der Sammellinse 66. Der gebrochene Laserstrahl 78 wird ebenfalls gebündelt. Der Ablenkwinkel α des Laserstrahls 70 bestimmt sich nach dem dioptischen Wert des Prismas 76. Ein bevorzugtes Prisma aus Glas BK7 hat einen Wert von 7 Diop trin, d. h. der Laserstrahl wird in einer Entfernung von 100 cm von der Aussetzfläche des Prisma 76 aus der Achse 75 um 7 cm abgelenkt.

Die Sammellinse 66 wird vorzugsweise so angeordnet, daß sie nicht mit der Achse 75 fluchtet, sondern wenigstens einen Teil des abgelenkten Laserstrahls 78 auffängt. Wird das Prisma 76 um die Achse 75 gedreht, so folgt der abgelenkte Laserstrahl 78 mindestens einem Teil einer im wesentlichen kreisförmigen Bahn auf der Sammellinse 66. Der Radius der kreisförmigen Laserstrahlbahn auf der sphärischen Linse 66 ist R. Die Linse 66 konvergiert den vom Prisma 76 eintre tenden Laserstrahl 78, der dann als Laserstrahl 80 auf den sphärischen Reflektor 68 austritt. Der Laserstrahl 80 ist konisch geformt und konvergiert in einem Fokus O' (der eine Abbildung des Objektes O ist) hinter dem sphärischen Reflek tor 68, wie dargestellt.

Der Reflektor 68 ist positioniert, um den konvergierenden, konisch geformten Laserstrahl 80 aufzufangen, bevor der den Fokuspunkt O' erreicht. Der sphärische Reflektor 68 orien tiert den konvergierenden Laserstrahl 80 auf den Laserab tastpunkt 82 auf einer Abtastzeile 83. Der Reflektor 68 hat einen Krümmungsmittelpunkt h auf der Rotationsachse 75 und einen Krümmungsradius R_r entsprechend der folgenden Glei chung

wobei
a = Abstand zwischen dem Mittelpunkt der sphärischen Linse (66) und ihrem Fokuspunkt O',
b = Abstand zwischen dem Abtastpunkt (82) und dem Mittelpunkt des sphärischen Reflektors (68),
R = Radius der Laserstrahlkreisbahn auf der sphärischen Linse (66),
f# = die effektive f-Zahl im Abtastpunkt (82), nämlich das Verhältnis von f (Länge des Randstrahls vom Reflektor (68) zum Abtastpunkt (82)) zu Phi (effektiver Durchmesser des Reflektors) und
N = Anzahl der während einer Umdrehung des Prismas längs der Laserstrahlkreis bahn auf der Linse projizierten nebeneinander liegenden Laserstrahlen.

Die Kombination des Prismas 76, der Linse 66 und des Re flektors 68 bietet erhebliche Vorteile über bekannte Scan ner. Das wichtigste und bisher unerreichte Merkmal dieser Kombination liegt in ihrer Fähigkeit, eine mathematisch perfekte Abtastzeilen-Geradlinigkeit zu erzeugen, da der Krümmungsradius R_r des Reflektors 68 und die Lage des Krüm mungsmittelpunktes h genau bestimmbar sind. Das heißt, der Krümmungsmittelpunkt h liegt auf der Drehachse 75 und der Krümmungsradius R_rist durch die Gleichung (1) bestimmt. Zusätzlich verringert der Laserstrahl-Scanner 60 den Ab tastfehler mit Hilfe des Prismas 76 wesentlich oder eli miniert ihn wirksam.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Scanners 60 liegt darin, daß man einen sehr kleinen Laserstrahlpunkt 82 bei einem sehr breiten Abtastwinkel erzielt. Ein kleiner Ab tastpunkt und ein großer Abtastwinkel ergeben einen Scanner mit sehr hoher Auflösung. Der große Abtastwinkel wird da durch erreicht, weil der Laserstrahl 80 auf der sphärischen Linse 66 frei eine volle Kreisbahn abfahren kann.

Um die Vorteile des Scanners 60 besser zu erläutern, soll nachstehend ein Beispiel gegeben werden, indem für einen bestimmten Satz Parameter der Krümmungsradius, die Größe des Abtastpunktes, die Auflösung und die Abtastlänge berechnet werden sollen. Es werden folgende Parameter zugrundegelegt:
α = 20°
R = 30 mm
λ (Wellenlänge des Laserstrahls 70) = 632,8 nm
b = 204 mm
a = 82 mm
f# = 50
δ (Formfaktor) = 1,27
R_S (Abtastradius) = 250 mm
H = 45 mm.

Werden diese Werte in die Gleichung (1) eingesetzt, so er gibt sich der Krümmungsradius R_r mit 81 mm. Dieser Krüm mungsradius liefert eine mathematisch perfekte Abtastzeile. Der Fokussierabstand m des Reflektors 68 ist gleich dem Krümmungsradius R_r geteilt durch zwei (d. h. m = R_r/2), also 40,5 mm.

Die Größe s des Laserstrahlpunktes 82 wird wie folgt be rechnet:

s = δ λ f# = 40 µm (2)

Bevor die Auflösung und Abtastlänge berechnet werden, sei darauf hingewiesen, daß die Größe des Laserstrahlpunktes 82 mit nur 40 µm bemerkenswert gering ist. Im Vergleich zu Punktgrößen von 130 bis 140 µm bei konventionellen Scannern ist die mit dem Scanner 60 erzeugte Punktgröße von 40 µm mehr als dreifach kleiner. Sogar noch kleinere Punkte können erfindungsgemäß erzeugt werden. Wird der Scanner 60 bei spielsweise für Mikroskopiezwecke verwendet, so kann für den Abtastpunkt eine Größenordnung von weniger als 5 µm erzielt werden.

Die Auflösung n bestimmt sich nach folgender Gleichung:

n = ß/θ_s (3)

wobei ß der Abtastwinkel und θ_s die Winkelauflösung ist. Die Winkelauflösung θ_s entspricht der Punktgröße s geteilt durch den Abtastradius Rs (d. h. θ_s = s/R_s) und beträgt 0,16 × 10^-3 Radians. Ein vernünftiger Wert für einen Abtastwinkel ß = ±30° wird hier angenommen, da der Scanner für einen breiten Abtastwinkel ausreichend Freiheit besitzt. Setzt man die Werte für den Abtastwinkel und die Winkelauflösung in die Gleichung (3) ein, so erhält man eine außerordentlich hohe Auflösung von 6544 Punkten/Abtastung.

Die Abtastlänge L der Abtastzeile errechnet sich wie folgt:

L = 2 ß R_s = 262 mm = 10 Inches (4)

Eine Abtastlänge von 10 Inch ist mehr als ausreichend für die meisten Laseranwendungen, wie Laserdrucker.

Schließlich läßt sich die Laserstrahl-Eintrittsöffnung D_t wie folgt bestimmen:

D_t = 2Rsin(θ/2), wobei θ = 2 π/19 = 9,88 mm (5)

oder

D_t = 2Rsin(π/N), wobei N = 19 = 9,88 mm

Aus dem obigen Beispiel läßt sich ersehen, daß der Scanner 60 eine sehr hohe Auflösung liefert und die durch Taumelbe wegungen hervorgerufenen Effekte wie den Abtastfehler wirk sam eliminiert. Ferner liefert der Scanner eine mathematisch perfekte Abtastzeile.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Scanners 90 ähnlich dem in Fig. 4 mit Hinzufügung einer Strahländerung 92. Diese liegt zwischen der Quelle 62 und dem Prisma 76 und weist vorzugsweise zwei anamorphe Prismen 94 und 96 auf, die den Zweck haben, die Form des erzeugten Laserstrahlpunktes zu ändern. Diese Änderung wird in den Fig. 6a und 6b erläu tert.

Fig. 6a zeigt einen Laserstrahlpunkt 82, wie er vom Scanner 60 in Fig. 4 erzeugt wird. Der Punkt 82 ist elliptisch und seine größere Achse fällt mit der Abtastzeile 83 zusammen. Die elliptische Form wird oft gewünscht, da sie eine reich liche Überlappung in der Abtastrichtung zwischen benach barten Abtastpunkten erlaubt. Die elliptische Form hat auch einen minimalen Überlappungsbereich rechtwinklig zur Ab tastrichtung zwischen den Abtastpunkten an benachbarten Ab tastzeilen 83 zur Folge. Die vertikale minimale Punktüber lappung ist in diesem Fall das Resultat, das vom Eliminieren des Abtastfehlers herrührt. Somit besitzt ein elliptischer Abtastpunkt 82 beide wünschenswerte Eigenschaften.

Im Vergleich zeigt hierzu Fig. 6b einen im wesentlichen kreisförmigen Abtastpunkt 100, der vom Scanner 90 in Fig. 5 erzeugt wird. Die Kreisgestalt des Punktes 100 erhält man durch Einschaltung der Strahländerungsanordnung 92. Für viele Scannerzwecke wird ein kreisförmiger Abtastpunkt einem elliptischen vorgezogen.

Die Erfindung wurde unter Verwendung von einem oder zwei Prismen erläutert, doch lassen sich auch mehr als zwei Pris men verwenden.

Die Vorteile der Erfindung sind vielfach. So erzeugen er findungsgemäß gebaute Scanner eine mathematisch perfekte gerade Abtastzeile frei von Abtastfehlern. Solche Scanner sind besonders genau und weisen eine hohe Wiederholbarkeit auf. Die Erfindung liefert ferner einen Abtastpunkt mit sehr kleinen Abmessungen hoher Qualität. Hierzu wird auf die ein gangsseitigen Ausführungen und die dazugehörigen Beispiele verwiesen. Ferner liefert die erfindungsgemäße Ausführungs form eine verhältnismäßig große Abtastlänge in Folge des reichlich bemessenen Abtastwinkels. Infolge der kleineren Punktgröße und des größeren Abtastwinkels besitzen erfin dungsgemäße Scanner eine sehr hohe Auflösung.

Die Erfindung befriedigt ferner jeglichen Bedarf für höhere Abtastgeschwindigkeiten, da die Prismen für den Antriebs motor ein praktisch vernachlässigbare Belastung darstellen. Somit können kleinere und billigere Motoren zum Antrieb der Prismen verwendet werden. Dies steht im Gegensatz zu be kannten Scannern, die verhältnismäßig schwere polygonale Spiegel mit aufwendigen Motorbauformen benutzen müssen.

Somit leistet die Erfindung auch eine wesentliche Kostener sparnis. Mit einem Prisma als Ablenkeinrichtung läßt sich der Fehler durch Taumelbewegungen praktisch eliminieren. Es bedarf deshalb keiner speziell gebauten Präzisionsanordnung zum Antrieb der Prismen. Die Antriebsmotoren sind sehr bil lig. Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Abtastgenauigkeit lassen sich die Toleranzanforderungen verringern und damit die Herstellkosten drastisch senken.

Die Erfindung ist anwendbar in vielen Bereichen, wie Laser drucker, Lesen von Strichcodierungen, Auslesen von Daten aus einem Film, medizinischen Anwendungen, Mikroskopen und Pho toübertragung.

Claims

1. Laserstrahl-Scanner mit einer Laserstrahlquelle zum Emittieren eines Laserstrahls, mit mindestens einem in einer angetriebenen Hohlwelle angeordneten Prisma zum Ablenken des Laserstrahls und einer sphärischen Linse zum Konvergieren des aus einem Prisma austretenden Laserstrahls, der umge lenkt wird, um längs einer Abtastzeile einen Abtastpunkt zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (76) um eine Drehachse (75) derart drehbar angetrieben ist, daß der vom Prisma abgelenkte Laserstrahl mindestens einen Teil einer im wesentlichen kreisförmigen Bahn auf der sphärischen Linse (66) durchwandert, der von der sphärischen Linse (66) konvergierte Laserstrahl von einem sphärischen Reflektor (68) umgelenkt und in einem Abtastpunkt (82) fokussiert wird, und der sphärische Reflektor (68) einen Krümmungsmit telpunkt besitzt, der auf der Drehachse liegt und einen Krümmungsradius R_r entsprechend folgender Gleichung besitzt:
wobei a = Abstand zwischen dem Mittelpunkt der sphärischen Linse (66) und ihrem Fokus punkt O',
b = Abstand zwischen dem Abtastpunkt (82) und dem Mittelpunkt des sphärischen Reflektors (68),
R = Radius der Laserstrahlkreisbahn auf der sphärischen Linse (66),
f# = die effektive f-Zahl im Abtastpunkt (82) nämlich das Verhältnis von f (Länge des Randstrahls vom Reflektor (68) zum Ab tastpunkt (82)) zu Phi (effektiver Durch messer des Reflektors) und
N = Anzahl der während einer Umdrehung des Prismas längs der Laserstrahlkreisbahn auf der Linse projizierten nebeneinander liegenden Laserstrahlen.

2. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (76) mehrseitig ist.

3. Scanner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ferner zwischen der Laserstrahlquelle (62) und dem Pris ma (76) eine Strahlveränderungsanordnung (92) angeordnet ist, um auf der Abtastzeile einen im wesentlichen kreisför migen Laserabtastpunkt zu bilden.

4. Scanner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlveränderungsanordnung (92) aus zwei anamorphen Prismen (94, 96) besteht.