DE2557863A1

DE2557863A1 - Lichtpunktabtaster

Info

Publication number: DE2557863A1
Application number: DE19752557863
Authority: DE
Inventors: Istvan Gorog
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-12-22
Publication date: 1976-06-24
Also published as: JPS5189433A; US3984629A; GB1525028A; FR2296326A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtpunktabtaster, d.h. ein Mittel zum Abtasten eines Objektdokuments oder einer Objektszene mittels eines Lichtpunkts sowie zum Erzeugen eines zeitabhängigen, das abgetastete Objekt repräsentierenden, elektrischen Signals.

Der Lichtpunkt kann durch eine rasterförmig abgelenkte Kathodenstrahlröhre und ein festes optisches Abbildungssystem erzeugt werden oder aber durch gebündelte Laserlichtstrahlen, die durch rotierende Spiegel oder durch akusto-optische bzw. elektro-optische Deflektoren abgelenkt werden. Ein Photodetektor ist dabei so angeordnet, daß er einen Teil des durch den sich auf dem Objekt bewegenden, beleuchteten Punkt reflektierten, zurückgestreuten oder ausgesandten Lichts auffängt, .«'eil die Quelle des Abtastlichtstrahls sich in einiger Entfernung vom Objekt befindet, muß der Photodetektor ebenfalls vom Objekt entfernt angeordnet sein und dabei einen Lichtaufnahmewinkel besitzen, der groß genug ist, um mindestens das gesamte Objekt zu erfassen. Daraus resultiert, daß Umgebungslicht den Photodetektor entweder direkt oder durch Reflexion vom Objekt aus erreichen kqnn. Es ist nicht zweckmäßig, das TJmgebungslicht mittels eines Interferenzfilters, welches nur hochgradig monochromatisches Laserlicht durchläßt, vom Photodetektor fernzuhalten, da derartige Lichtfilter nicht mit der erforderlichen schmalen Bandbreite und dem weiten Bereich von Lichtauf-

609826/0816

nahmewinkeln gefertigt werden können. Wenn nicht das gesamte System mit einem lichtundurchlässigen Gehäuse versehen ist, erreicht Umgebungslicht den Photodetector. Ein Gehäuse stellt aber bei einem ?aksimilesystem zum Abtasten von Dokumenten eine Bedienungserschwernis dar und ist auch vielfach für ein System zum Abtasten einer ausgedehnten dreidimensionalen Szenerie nicht zweckmäßig.

Das UmgebingsLicht weist normalerweise einen großen Konstant- oder Gleichanteil auf und dazu einen veränderlichen oder Wechselanteil der durch Glüh- oder Leuchtstofflampen hervorgerufen wird. Dieses veränderliche Umgebungslicht, das Frequenzkomponenten bis zu einigen hundert Hertz - oder mehr im Falle von Leuchtstofflarapen - enthält, stört ein davon betroffenes Lichtpunktabtastsystem beträchtlich. Das Umgebungslicht erzeugt über den Photodetektor elektrische Signale, welche ά±φ die graphische Information enthaltenden Signale mit derselben Frequenz verwischen und eine getreue Darstellung des Objekts durch eine VJledergabeeinrichtung nicht zulassen.

Es wurde ein Lichtpunktabtaster geschaffen, der durch Modulation des Abtastlichts mit einer großen konstanten Frequenz f im wesentliehen von Umgebungslicht unbeeinflußt ist. Das durch den Photodetektor erzeugte Signal besteht aus einem Träger mit der Frequenz f ,

der mit der graphischen Information moduliert ist. Dieser xnformationsmodulierte Träger wird einem Demodulator über ein Filter zugeführt, welches eine Diskrimination hinsichtlich der Signale des Umgebungsrauschens von sehr viel niedrigerer Frequenz vornimmt. Das Ausgangssignal dieses Demodulators wird über ein Tiefpass-Filter gegeben, um ein rauschfreies Signal mit der graphischen Information zu erhalten.

Einzelheiten der Erfindung und der mit der Erfindung gelösten Aufgaben gehen aus nachstehender Beschreibung hervor, in der ein Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert wird.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der optischen, elektromechanischen und elektronischen Elemente eines Ausführungsbeispiels

609826/0816 "³"

des erfindungsgemäßen Lichtpunktabtastsystems;

Fig. 2 ein Diagramm der elektrischen Signalfrequenzkomponenten, auf das bei der Beschreibung der Funktion des Systems gemäß Fig. 1 Bezug genommen wird;

Fig. J ein Schaltbild der Mittel in Fig. 1 für die Speisung des Injektionslasers zum Erzeugen eines modulierten Lichtstrahlenbündels und

Fig. k ein Schaltbild der Mittel aus Fig.1 zum Filtern und Demodulieren des Signals, das vom Photodetektor erhalten wird.

Das Lichtpunktabtastersystem, das in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus einem Injektionslaser 10, welcher beispielsweise ein kontinuierlich arbeitender Raumtemperatur - (AlGa)As-(AlGa)As - Injektionslaser mit doppeltem HeteroÜbergang sein kann, der eine Ausgangslichtwellenlänge von 8100 Ä sowie eine Ausgangsleistung von ungefähr 10 mW und eine Leistungsaufnahme von ungefähr 1,A-W (700 mA bei 2 V) hat. Das von dem Laser 10 ausgesandte Licht ist ein durch eine Schlitzblende geformtes Strahlenbündel. Dieses wird durch eine astigmatische Optik Ik zur Strahlformung, die aus einem 10-fach vergrößernden Mikroskopobjektiv (NA = 0,25), auf das zwei parallele zylindrische Linsen mit einer ungefähren Brennweite von 18 bzw. 100mm folgen, so geformt, daß es auf einem Objektdokument 12 einen kreisrunden Punkt bildet. 3ei dem Ausführungsbeispiel befinden sich die Optik 1*f und das Objekt 12 in einem Abstand von lh cm,und die Strahlleistung zum Abtasten des Objekts 12 beträgt 3 EiW.

Der von der Optik 14 ausgehende Laserstrahl wird abgelenkt - und zwar zunächst in horizontaler Richtung durch einen mittels eines Galvanometer-Motors 17 in Schwingungen versetzten Spiegels 16 und anschließend in vertikaler Richtung durch einen Spiegel 18, der mittels eines Galvanometer-Motors 19 in Schwingungen versetzt wird. Der Galvanometer-Motor 17 wird über eine Leitung 22 mit einem linear-rampenförraigen Strom und einer VJiederholungsperiode von 14 Millisekunden versorgt, während der Motor 19 über eine Leitung 23 mit einem linear-

609826/0816 ~^k~

rampenförmigen Strom mit einer Wiederholungsperiode von 14 Sekunden gespeist wird. Die rampenförmigen Ströme, die den Galvanometer-Motoren zugeführt werden, lenken den Laserstrahl so ab, daß er eine rechtwinklige Fläche von 20 χ 25 cm auf dem Objekt 12 in üblicher Rasterabtastung überstreicht. Es kann aber auch jede andere gewünschte Art der Abtastung des Objekts 12 angewendet werden.

Das Objekt 12 kann aus einem gedruckte Information aufweisenden Dokument bestehen. Da das Dokument durch den Lichtpunkt abgetastet wird, wird Licht von dem beleuchteten Punkt auf dem Dokument in alle Richtungen reflektiert und ein Teil des Lichts wird zu einem Photodetektor 20 zurückgeworfen. Der Photodetektor 20 kann aus einem üblichen Photovervielfacher vom Typ RGA 7102 (mit S-1 Verhalten) oder aus einer Anordnung von vier Silizium-pin-photodioden bestehen. Das in jedem Moment zum Photodetektor 20 reflektierte Licht hängt von der Reflexionsfähigkeit derjenigen Stelle des Dokuments ab, welche zu diesem Zeitpunkt beleuchtet wird. Der Photodetektor 20 nimmt Licht aus allen Richtungen innerhalb eines Kegels oder einer Pyramide mit dem Spitzenwinkel 26 auf, der entsprechend groß ist, damit mindestens die Flache des Objektdokuments 12 erfaßt wird. Es ist unvermeidlich, daß der Photodetektor störendes Umgebungslicht aufnimmt, es sei denn, das gesamte System befindet sich in einem lichtdichten Kasten. Das ist auch dann der Fall, wenn - wie es versucht wurde - ein Filter auf dem Photodetektor alle Wellenlängen - mit Ausnahme der durch den Laser 10 erzeugten - zurückweist. Die störenden Einflüsse des Umgebungslichts werden gemäß der Erfindung durch die Modulation der Intensität des vom Laser 10 ausgehenden Lichtstrahlenbündels und durch Filterung des vom Photodetektor 20 ausgehenden Signals vermieden.

Der vom Injektionslaser 10 ausgesandte Lichtstrahl hat eine vorgegebene mittlere Intensität, wenn diesem ein bestimmter Treiberstrom über die Leitung 30 aus einem geregelten Gleichstromversorgungsteil 32 zugeführt wird. Das Laserlicht-Strahlenbündel kann, bei einer Frequenz von beispielsweise 1,2 MHz, zwischen einer minimalen oder Null- und maximalen Lichtmenge durch Variation des dem Laser zugeführten Treiberstroms verändert werden. Das kann durch Anschluß eines Hf-Oszillators 3^ über einen Hf-Verstärker 36 an die Laser-

60 9828/0816

Treiberleitung 30 geschehen, denen ebenfalls ein konstanter Treiberstrora aus dem Versorgungsteil 32 zugeführt wird. Die Schaltungen 32, 34 und 36 sind im einzelnen in Fig. 3 dargestellt und werden dort im Zusammenhang beschrieben.

Das elektrische Signal auf der Leitung 40 vom Photodetektor 20 weist die in Fig. 2 dargestellten Frequenzanteile auf. Die Komponenten 42 zwischen der Frequenz Null und der Frequenz f rühren von der Umwandlung von veränderlichen Anteilen des Umgebungslichts in störende Rauschsignale her. Die Uragebungslicht-Rauschfrequenzen erstrecken sich im allgemeinen von null bis zu einigen hundert Hertz. Das Signal 44 bei der Frequenz f (1,2 MHz) ist eine Trägerfrequenz, die von der Hf-Modulation des Laserlichtbündels herrührt. Die Signale innerhalb der Umhüllenden 46 und 47 bilden das untere und obere Seitenband der Modulation mit graphischer Information, die auf dein

Träger f eine maximale Frequenz f aufweisen. In dem beschriebenen c m

Beispiel erstrecken sich die Informationsfrequenzanteile von 0 bis 33»333 kHz. Dieser Wert ergibt sich durch das Abtasten einer graphischen Information mit einer Auflösung von 20 Perioden pro cm und den Abtastparametern nach der Formel: f (20 Perioden/cm .) χ (20 cm ZeilenlängeXi2 χ 10~^ see aktive Icilcndttu&t = 33,333 kHz.

Das elektrische Signal am Ausgang des Photodetektors 20 wird einem Hf-Filter 50 zugeführt, das eine Bandbreite aufweist, die ausreichend ist, um den Träger 44 mit der Frequenz f und die Seitenbänder bei Frequenzen zwischen f - f und f + f durchzulassen. Das Filter

c m c m

50 ist für die Umgebungslicht-Rauschfrequenzkomponenten 42 zwischen den Frequenzen 0 und f sperrend.

Die vom Filter 50 durchgelassenen Frequenzanteile werden einem Synchrondemodulator 52 zugeführt,der über eine Leitung 54 vom Verstärker 36 auch die Demodulationsreferenzschwingung zugeführt erhält. Das Ausgangssignal vom Detektor 52 wird über ein Tiefpassfilter 56 gegeben, um ein Faksimile-Ausgan₆ssignal zu erhalten, das die graphischen Informationssignal-Frequenzko'Tiponenten von Null bis f enthält und im wesentlichen frei von Umgangsrauschen ist. Die Schaltungen 50, 52 und 56 sind im einzelnen in Fig. 4 dargestellt und werden

609826/0816

im Zusammenhang mit dieser beschrieben.

Fig. 3 zeigt, daß der Hf-Oszillator aus einem konventionellen Colpitts-Oszillator besteht, der einen Transistor Q₁ und die frequenzbestimmenden Elemente mit den angegebenen Werten für Induktivitäten und Kapazitäten enthält. Der Hf-Verstärker 36 enthält in bekannter V/eise einen Trennverstärker-Transistor Q,- und einen Stromtreibertransistor Q.,. Mittels des .Widerstands R₁ wird der Ausgangsstrom für die Laserdiode auf ungefähr J50 mA Spitze zu Spitze eingestellt. Das geregelte Stromversor^-ungsteil enthält eine integrierte Schaltung vom Typ RCA CA 30.35 in Kombination mit einem Strom-Treibertransistor Q. . Über den Widerstand R wird der Arbeitspunkt der Laserdiode gleichstrommäßig auf einen Viert zwischen 200 und 300 mA eingestellt.

Fig. k zeigt den Photovervielfacher 20 und dessen Verbindung über ein 1,2 MHz-Filter ^O an den Signaleingang eines doppelt symmetrischen Synchrondemodulators 52, welcher durch eine integrierte Schaltung vom Typ RCA CA 3026 gebildet wird. Das Referenzfrequenzsignal wird dem Eingang des Synchrondemodulators vom /erstärker 36 über die Leitung 56 und die Ankoppelschaltung 60 zugeführt. Ein Potentiometer 61 ermöglicht eine Amplitudeneinstellung und ein Potentiometer 62 eine Phaseneinstellung. Die dargestellte Verbindung über die Leitung 5^ der 1,2 MHz-Schwingungen von 3^ und 36 zum Synchrondemodulator sichern eine optimale Demodulation des mit der Information modulierten Trägersignals - unabhängig von einer möglichen Drift des Oszillators ~$h. Es können selbstverständlich auch andere Demodulationsarten angewendet werden. Der Ausgang des Synchrondemodulators 52 ist über ein Tiefpassfilter 56 mit Ausgangsklemmen 66 für das Faksimile- oder Videosignal verbunden. Das Ausgangssignal enthält Anteile mit Frequenzen zwischen null und f , wobei f die maximale

ram

Frequenz ist, die durch Abtastung der graphischen Information des Objektdokuments, in diesem Fall 33»333 kHz, erhalten wurde.

Betriebsweise

Die Betriebsweise des Systems nach Fig. 1 läßt sich dahingehend zu-

609826/0816 " ⁷ "

-ν

sammenfassen, daß der 1,2 MHz-Oszillator 3*+» der Verstärker 36 und das geregelte Stroraversorgungsteil 32 zusammenwirken, um den Injektionslaser 10 über die Leitung 30 mit einem 1,2 MHz Treiber- oder Versorgungsstrom zu versehen. Das durch den Laser ausgesandte Licht-'strahlenbündel wird damit intensitätsmäßig im 1,2 MHz Takt moduliert. Das Lichtstrahlenbündel wird durch die Optik 1*f geformt und durch den Horizontalablenkspiegel 16 sowie anschließend durch den Vertikalablenkspiegel 18 so abgelenkt, daß es das Objekt 12 rasterförmig abtastet. Das von dem über das Objekt 12 bewegten Lichtpunkt reflektierte Licht verändert sich mit 1,2 MHz in seiner Intensität und wird durch die graphischen Eigenschaften des Objekts mit einer Frequenz von bis zu ungefähr 33 kHz moduliert. Ein Teil des reflektierten Lichts wird durch den Photodetektor 20 aufgenommen, welcher an seine Ausgangsleitung *fO ein entsprechendes elektrisches Signal abgibt.

Der Photodetektor 20 erhält auch Umgebungslicht, das sich mit Frequenzen von bis zu einigen hundert Hertz verändert, und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Signal an seinen Ausgangskieramen ^fO. Das Umgebungslicht-Rauschsignal kann eine Amplitude haben, die hundertfach größer ist als die des gewünschten Signals der graphischen Information. Trotzdem liegt das Rauschsignal k2. (in Fig. 2) frequenzmäßig weit entfernt vom Träger hk der graphischen Information und den Modulations-Seitenbändern *f6_t k7· Das Filter 50 läßt den Informationsträger und die Seitenbänder zum Demodulator 52 durch und setzt das Kauschsignal in seiner Amplitude herab. Der Demodulator 52 demoduliert den modulierten Träger und erzeugt ein graphisches Informationssignal mit Frequenzen von Null bis f = 33»333 kHz. Wenn der Demodulator 52 wie dargestellt ein Synchrondemodulator ist, hat er die Eigenschaft, jedes Rauschsignal, das das Filter 50 passiert, zu Frequenzen zwischen f - f und f + f hin zu transformieren. Diese Frequenzen

CS. C Sl

sind aber zu hoch, um vom Tiefpass-Filter 56 durchgelassen zu werden. Das gewünschte graphische Informationssignal zwischen Frequenzen von null bis ungefähr 33 kHz passiert das Tiefpass-Filter 56 zu den Ausgangsklemmen 66 für das Faksimilesignal hin.

Das Faksimile- oder Videoausgangssignal an den Klemmen 66 kann einer· Anzahl von hier nicht dargestellten Nutzgeräten zugeführt werden.

609826/0816 ~⁸~

Beispielsweise kann in einem Faksimilesystera für gedruckte Dokumente das Signal einer Schwellwertschaltung zugeführt werden, welche es in ein "Ein - Aus" - Signal mit zwei Zuständen verwandelt, das seinerseits einer Kathodenstrahl-Speicheranzeige, wie beispielsweise der Tektronilc Zweifach-Speicheranzeigeeinheit, zugeführt wird. Oder aber das Signal wird in Form eines Zweipegelsignals oder eines Signals mit kontinuierlicher Tonskala einem Faksimiledrucker zugeführt, wie zum Beispiel einem solchen, der einen durch das Signal modulierten Laser benutzt. Es ist selbstverständlich, daß das Nutzgerät sich an einem vom Abtaster entfernten Ort befinden kann und sich auch einige der oder alle Schaltungen 50, 52 und 56 an getrennten Orten befinden und mittels Verbindungsleitungen an den Photodetektor 20 und die Referenzsignalleitung 5** angeschlossen sein können.

609826/0816 -9-

Claims

• 4. Pat entansprüche

1. Lichtpunktabtaster zum Abtasten eines Objektdokuments oder einer -szene mit einem Lichtpunkt und zum Erzeugen, eines elektrischen Videosignals, welches das Objekt repräsentiert, mit einer Quelle für ein Lichtstrahlenbündel, Mitteln zum rasterraäßigen Ablenken des Lichtstrahlenbündels über das Objekt und

einem Photodetektor, angeordnet zum Aufnehmen von Licht vom Objekt und zum Erzeugen eines elektrischen Informationssignals in Abhängigkeit von dem vom Objekt aufgenommenen Licht und einem unerwünschten Ümgebungslichtrauschsignal mit einer maximalen Frequenz f ,

SL,

gekennzeichnet durch Mittel (32, 36) zur Modulation des Lichtstrahlenbündels aus der Quelle mit einer Frequenz f , so daß das von dem Photodetektor (20) abgegebene Infor-nationssignal aus einem Träger mit der Frequenz f besteht, welcher mit einem /ideosignal mit einer Maximalfrequenz f moduliert ist, wobei f - f größer als f ist, and

einen Demodulator (52), dessen Eingang mit dem Ausgang des Photodetektors (20) verbunden ist, zum Demodulieren eines Trägers mit der Frequenz f und zum Erzeugen eines Videoinformations-Ausgaagssignals mit Frequenzen bis f .

2. Lichtpunktabtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator (52) ein Synchrondemodulator ist.

3· Lichtpunktabtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Demodulator (52) zusätzlich ein Tiefpassfilter (56) folgt, das ein von ümgebungsrauschen freies Ausgangssignäl abgibt.

k» Lichtpunktabtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Bandfilter (50) vorgesehen ist, das den Ausgang des Photodetektors (20) mit dem Eingang des Demodulators(52) verbindet, wobei das Bandfilter (50) die Trägerfrequenz f und ihre Seitenbänder durchläßt und das Rauschen bei Frequenzen bis zu f in der Amplitude her-

609826/0816 ** ¹° "

absetzt.

5» Lichtpunktabtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für das Lichtstrahlenbündel einen Halbleiter-Injektionslaser (10) enthält, der mit einem Treiberstrora versorgt wird, wobei die Mittel (32, 36) zur Modulation des Lichtstrahlenbündels aus Mitteln zur Modulation des Treiberstroms bestehen.

609826/0818

Lee rs'e'i te