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Beschreibunel:
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Die Erfindung geht aus von einer optischen Abtastvorrichtung mit den
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 28 38 362 bekannt.
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Bei vielen Aufgaben wie z.B. bei der Schriftzeichenerkennung oder
beim Erzeugen von Infrarotbildern ist es erforderlich, mit einem Lichtstrahl ein
Zielobjekt, eine Vorlage, eine Szene oder dergl.
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rasch und wiederholt abzutasten. Es ist bekannt, hierzu spiegelnde
Rotoren zu verwenden, die an ihrem Umfang mit aufeinanderfolgenden Facetten versehen
sind. Ein solcher Rotor wird so im Lichtweg angeordnet, daß jede der Facetten das
Lichtstrahlenbündel entlang einer vorgegebenen Ortskurve (Abtastkurve) ablenkt.
Wenn bei einem solchen Rotor aufeinanderfolgende Facetten unterschiedliche Pyramidalwinkel
aufweisen (geyen die Drehachse des Rotors unterschiedlich geneigt sind), dann kann
man nicht nur eine Linie, sondern eine Fläche abtasten.
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Die Güte eines solchen Abtastsystems, definiert als das Verhältnis
der Zeitspanne, während der innerhalb eines Abtastzyklus tatsächlich ein Objekt
abgetastet wird (Hinlaufzeit) zur gesamten Zykluszeit (Zeit für Hinlauf und Rücklauf),
ist infolge der Bewegung der
Rotorfacetten durch das einfallende
Lichtstrahlenbündel gewöhnlich auf recht bescheidene Werte beschränkt. Der eigentliche,
aktive Abtastvorgang erfolgt jeweils nur, während das gesamte einfallende Strahlenbündel
von nur einer Facette des Rotors reflektiert wird. Daher muß eine jede Facette breiter
sein als das einfallende Strahlenbündel, und je mehr die Facettenbreite die Breite
des Strahlenbündels übersteigt, desto größer ist die Güte des Abtastsystems.
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Es ist demgegenüber die Aufgabe der vorliegenden vorliegendenlErfindung,
eine Abtastvorrichtung zu schaffen, deren Güte nicht von der Größe der Rotorfacetten
abhängt und mit der sich sehr hohe Abtastgüten erreichen lassen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Abtastvorrichtung mit
den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es ist klar, daß man wegen des Prinzips der Strahlumkehrung das Strahlenbündel
sowohl auf die erste reflektierende Oberfläche als auch alternativ auf die zweite
reflektierende Oberfläche des Rotors einfallen lassen kann, jedoch ist in beiden
Fällen die Güte der Abtastvorrichtung von der Facettengröße unabhängig. Dank des
praktisch verzögerungsfreien Umspringens des Strahlenbündels am
Übergang
zwischen je zwei benachbarten Facetten der ersten reflektierenden Oberfläche wegen
des Zusammenfallens des Scheitels des Kegels mit dem halben Öffnungswinkel <
mit der reflektierenden Oberfläche am Übergang zwischen den beiden benachbarten
Facetten lassen sich sehr hohe Abtastgüten erzielen.
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Je nach Verwendungszweck der Abtastvorrichtung können die Facetten
der ersten reflektierenden Oberfläche des Rotors;plan, sphärisch oder zylindrisch
sein, und falls das Strahlenbündel zwischen der ersten optischen Einrichtung (Hohlspiegel)
und der zweiten reflektierenden Oberfläche des Rotors kegelförmig ist, dann lassen
sich auch wesentliche Elemente der in der DE-OS 28 38 362 beschriebenen Abtastvorrichtung
in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwenden.
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Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen
schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
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F i g . 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel in der Draufsicht,
F i g . 2 zeigt das erste Ausführungsbeispiel in der Seitenansicht,
F
i g . 3 zeigt das erste Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht, F i g .
4 erläutert den Aufbau des Rotors im ersten Ausführungsbeispiel, F i g . 5 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel in der Draufsicht, und F i g . 6 zeigt als drittes
Ausführungsbeispiel eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels in der Seitenansicht.
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Im ersten Ausführungsbeispiel trifft ein Bündel 10A von parallelen
Lichtstrahlen auf eine Sammellinse 11 und tritt aus dieser als konvergentes Strahlenbündel
1OB wieder aus, dessen Strahlen in einem Punkt 12 gesammelt werden, der ungefähr
auf der reflektierenden Oberfläche 13 eines in Richtung des Pfeiles A um eine Achse
15 rotierenden Rotors 14 liegt. Die reflektierende Oberfläche 13 wird durch eine
Folge von in Umfangsrichtung des Rotors 14 aneinander angrenzenden reflektierenden
Facetten 13A, 13B, 13C... gebildet, die im Grundriß (Fig. 4) jeweils ein Profil
aufweisen, welches der Formel
genügt und demgemäß konvex, plan oder konkav sein können. In der
Formel
bedeuten den Krümmungsradius der jeweiligen Facette 13A, 138, 13C ..., r den Radius
jenes Kreises, auf dem die Mittelpunkte aller Facetten 13A, 13B, 13C ... liegen,
n die Anzahl der Facetten, und den halben Öffnungswinkel des konvergenten Strahlenbündels
10 B (2 X ist der Winkel zwischen den Randstrahlen des Strahlenbündels 10 B, vergl.
Fig. 4).
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Die Facetten 13A, 138, 13C ... können jeweils die Gestalt einer Zylinderfläche
mit zur Rotorachse 15 paralleler Zylinderachse besitzen, sie können aber auch sphärisch
sein, wobei die Mittelpunkte der Kugelflächen in einer gemeinsamen, auch den Punkt
12 enthaltenden Ebene liegen. Ob man zylindrische oder sphärische Facetten 13A,
13B, 13C ... -wählt, hängt z.T. von den optischen Randbedingungen ab, ob etwa das
ankommende parallele Strahlenbündel von einer LichtquellE endlicher Größe stammt
und deshalb eine gewisse Divergenz besitzt.
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Wenn der Rotor 14 sich um seine Achse 15 dreht, bleibt das durch Reflexion
an der Oberfläche 13 erzeugte Bild des Punktes 12 im Raum ungefähr ortsfest, weil
der Punkt 12 auf mehr doch sehr nahe bei der Oberfläche 13 liegt. Folglich erzeugt
das konvergente Strahlenbündel
10B durch Reflexion an &r Oberfläche
13 ein divergentes Strahlenbündel 10C, welches mit einer von der Krümmung der jeweils
beteiligten Facette 13A, 13B, 13C ... abhängigen Geschwindigkeit um den stationären
Bildpunkt des Punktes 12 rotiert. Das divergente Strahlenbündel 10C trifft auf einen
Hohlspiegel 16, dessen Brennpunkt mit dem stationären Bild des Punktes 12 zusammenfällt,
saäß der Hohlspiegel 16 als Kollimator wirkt und das divergent einfallende Licht
als paralleles Strahlenbündel 10D reflektiert, dessen auf dem Hohlspiegel 16 gelegene
Quellfläche sich seitlich verschiebt, wenn sich der Rotor.14 dreht. Das parallele
Str,ahlenbündel 10D wird vom Hohlspiegel 16 auf eine zweite, ebenfalls aus Facetten
17A, 17B, 17C ... gebildete reflektierende Oberfläche 17 des Rotors 14 gerichtet.
Die Facetten 17A, 17B, 17C ... sind unter denselben Umfangswinkeln am Rotor 14 angeordnet
wiege Facetten 13A, 13B, 13C ..., sodaß ein auf die Facette 13A auftreffendes konvergentes
Strahlenbündel 10B schließlich auf die Facette 17A auftrifft etc., und wegen der
seitlichen Bewegung des parallelen Strahlenbündels 10D bleibt dieses auf die Facette
17A gerichtet und bewegt sich synchron mit der Drehbewegung der Facette 17A. Aus
diesem Grunde braucht die Facette 17A (und gleiches gilt natürlich auch für die
übrigen Facetten 17B, 17C...) in ihrer Größe nur an die Querschnittsgröße des parallelen
Strahlenbündels 10D angepaßt zu sein. Das an den Facetten 17A, 178, 17C ... reflektierte
Strahlenbündel 10E besteht aus parallelen Strahlen und tastet eine Ortskurve 18
ab. Die Abtastbewegung ist das Ergebnis der Änderung der Winkelstellung der Oberflächen
der
Facetten 17A, 17B, 17C ... relativ zur optischen Achse des parallelen Strahlenbündels
10B im Verlauf der Drehung des Rotors 14, wobei der Abtastwinkel gerade das Zweifache
jenes Winkels ist, um den sich während der Abtastbewegung die Facette 17A, 178,
17C ... gedreht hat.
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Wenn sich der Rotor 14 bis zu der Lage gedreht hat, wo der Punkt 12
das Ende der Facette 13A erreicht hat, dann erfolgt ein sehr rascher, abrupter Übergang
auf die benachbarte Facette 13B mit der Folge, daß auch die Gesamtheit des parallelen
Strahlenbündels 10D ebenso rasch von der Facette 17A auf die benachbarte Facette
178 überspringt, und das parallele Strahlenbündel 10E ebenso rasch vom Ende der
Ortskurve 18 an deren Anfang zurückspringt. Die Geschwindigkeit dieses Wechsels
kann dadurch maximiert bzw. der Zeitverlust zwischen zwei aufeinander folgenden
Abtastbewegungen kann dadurch minimiert werden, daß man den Brennpunkt 12 der Sammellinse
11 genau am Übergang zweier Facetten 13A/13B, 13B/13C, ... auf die reflektierende
Oberfläche 13 legt. Auf diese Weise hat man de Güte der Abtasteinrichtung unabhängig
von der Größe der Facetten 17A, 178, 17C gemacht und dies bedeutet, daß man sehr
hohe Abtastgüten erreichen kann.
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Vorzugsweise sind die Facetten 13A, 138, 13C ... untereinander und
die Facetten 17A, 178, 17C ... untereinanEr ungefähr gleich groß; dies muß jedoch
nicht so sein,doch sollen zusammengehörige
Paare 13A/17A, 13B/17B,
13C/17C ... in denselben Umfangswinkelbereichen des Rotors 14 liegen. In den meisten
Fällen werden die Facetten 17A, 17B, 17C plan sein, jedoch können in besonderen
Anwendungsfällen stattdessen auch zylindrische oder sphärische Facetten benutzt
werden, ohne daß dies die Natur der reflektierenden Oberfläche 13 und ihrer Facetten
beeinflussen muß.
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Im ersten Ausführungsbeispiel ist der Hohlspiegel 16 so angeordnet,
daß er das auftreffende divergente Strahlenbündel durch Reflexion in ein paralleles
Strahlenbündel überführt. Es ist klarl daß diese Aufgabe auch mit anderen optischen
Bauelementen bewältigt werden kann. Wie jedoch an Hand des zweiten Ausführungsbeispiels
noch klar werden wird, muß das Strahlenbündel 10D nicht parallel sein, es kann vielmehr
auch konvergent sein.
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Bei dem in Fig. 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
sind gleiche oder einander entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszahlen wie
im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Beim zweiten Ausführungsbeispiel geht
von einer Lichtquelle 9 ein Strahlenbündel aus und trifft auf eine Linse 11, die
wie im ersten Ausführungsbeispiel so angeordnet ist, daß das aus der Linse 11 austretende
konvergente Strahlenbündel 108 in einem Punkt 12 fokussiert wird, der auf oder sehr
nahe der Oberfläche 13 des Rotors 14 liegt. I)as von der Oberfläche 13 reflektierte
divergente
Strahlenbündel 10C trifft auf einen Hohlspiegel 16 und wird von diesem als konvergentes
Strahlenbündel 10D' reflektiert und auf einen Punkt 20 fokussiert, der hinter der
zweiten reflektier den Oberfläche 17 des Rotors 14 liegt. Im Strahlengang dieses
konvergenten Strahlenbündels 10D' liegt eine der Facetten 17A, 17B, 17C ..., fängt
das Strahlenbündel 10D' auf, reflektiert es und bildet damit am Ort 21 einen reellen
Brennpunkt sowie dahinter ein divergentes Strahlenbündel 10F, welches auf einen
zweiten Hohlspiegel 22 trifft. Der zweite Hohlspiegel 22 liegt neben dem ersten
Hohlspiegel 16 und ist in Fig. 5 von diesem verdeckt; seine Brennfläche fällt mit
dem kreisförmigen Ort 21 des reellen Bildes zusammen, sodaß das reflektierte Strahlenbündel
10G aus parallelen Strahlen besteht. Das Strahlenbündel 10G trifft dann auf einen
durch einen Motor 24 angetriebenen Kippspiegel 23, der eine zweite, zur ersten Abtastbewegung
orthogonale Abtastbewegung bewirkt.
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Der zweite Hohlspiegel 22 ist ein i.W. sphärischer Spiegel und der
Kippspiegel 23 befindet sich am Ort der Pupille, dort, wo sich die zu den verschiedenen
Drehstellungen des Rotors 14 gehörenden verschiedenen, vom zweiten Hohlspiegel 22
herkommendensparallelen Strahlenbündel 10G schneiden. Bei dieser Anordnung werden
die Vorzüge des ersten Ausführungsbeispieles (Fig. 1-4) mit den wesentlichen Vorzügen
der in der DE-OS 28 38 362 beschriebenen Strahlungsabtastvorrichtung, die zu Teilen
im zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthalten ist, verknüpft.
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Bei sorgfältiger Wahl der optischen Wege kann der Spiegel 16 mit dem
Spiegel 22 zu einer integralen Einheit zusammengefaßt werden.
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Wegen des Prinzips der Umkehrbarkeit der Lichtwege können ohne Änderung
der Abtastvorrichtung Mr Strahlungseingang und der Strahlungsausgang vertauscht
werden. Beim ersten Ausführungsbeispiel ist dies auch praktisch ohne weiteres durchführbar.
Die Figuren 6 und 7 zeigen, wie man die Umkehrung beim zweiten Ausführungsbeispiel
zweckmäßigerweise mit einigen Modifizierungen vornehmen würde. Bauteile, die denen
in Fig. 1-5 dargestellten Bauteilen entsprechen, sind mit übereinstimmenden Bezugszahlen
bezeichnet. Das dritte Ausführungsbeispiel in Fig. 6 und 7 zeigt demgemäß mehrere
Planspiegel, die in an sich bekannter Weise lediglich dazu dienen, die optischen
Wege zu falten und dadurch einen zweckmäßigen mechanischen Aufbau der Vorrichtung
zu erzielen.
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Das Licht fällt im Beispiel der Fig. 6 und 7 zunächst auf den Kippspiegel
23. Getreu dem prinzip der Strahlumkehr befindet sich dort, wo in Fig. 5 die Lichtquelle
9 angenommen wurde, nun ein Detektor 9' für die verwendete Strahlungsart. Der Detektor
9' befindet sich in einem Gehäuse 8, und der Rotor 14 ist so gestaltet, daß er in
einem gasdichten, nicht dargestellten Gehäuse in gasdichten Lagern drehbar gelagert
werden kann. Das Gehäuse enthält ein Fenster 7,durch welches die Strahlung hindurchtreten
kann.