DE3313338A1 - Elektrooptische abtastvorrichtung - Google Patents

Description

Elektrooptische Abtastvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrooptische Abtastvorrichtungen, insbesondere solche zum Lesen zweidimensionaler Druekvorlagen, wie sie zwecks Herstellung von Kopien oder zwecks digitaler Aufzeichnung des Inhalts des Dokuments Anwendung finden. Es sind elektrooptische Lesevorrichtungen bekannt, bei denen die abzutastende Oberfläche mit Hilfe eines Laserstrahls beleuchtet und abgetastet und das von der Vorlage reflektierte Licht aufgenommen und ausgewertet wird. Bei optischen Abtastvorrichtungen wäre es günstig, wenn für die Beleuchtung und das Lesen des Dokuments das gleiche optisch-i System verwendet werden könnte. Dies ist bislang nicht gelungen. Da die meisten abzutastenden Dokumentenflächen lich\- undurchlässig sind, muß die optische Lesevorrichtung die Information aus dem von der lichtundurchlässigen Oberfläche reflektierten Licht gewinnen.

Von einer Oberfläche reflektiertes Licht hat im wesentlichen zwei Komponenten, nämlich eine durch Spiegelung entstandene Komponente sowie eine diffus zurückgestrahlte Komponente. Haben im Falle einer Papicrvorlage, also beispielsweise eines Dokuments,das Papier und die Tinte ähnliche reflektierende Eigenschaften, so enthält die durch Spiegelung an der Oberfläche entstandene Reflexionskomponente praktisch keine Γη-formation, während die diffuse Komponente den gesamten Informationsinhalt enthält und zu dessen Rückgewinnung ausgewertet

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werden'muß . Steht die Achse der auffallenden Lichtstrahlung ' ^senkrecht auf der Papieroberfläche, so liegt auch die spiegelnd·^ Reflexion zentrisch zu dieser Achse. Um die Gewinnung der in- j

formationstragenden diffusen Komponente zu verbessern, wird j die optische Achse des Lesedetektors unter einem Winkel von 20 bis 5Q° gegenüber der Papiernormalen geneigt angeordnet.

Da die spiegelnde Reflexion wie Glanz, im allgemeinen wesentlich i heLler ist als die diffuse Komponente, muß die diffuse Komponente vom gesamten, die spiegelnde Komponente umgebenden Ring gesairjneht werden, wenn man das Signal/Rauschverhältnis verbessern will. j

Es sind optische Abtast-Lesevorrichtungen bekannt, bei denen ' die. diffuse,Komponente von einem Teil des Aufnahmeringes dadurch gewonnen wird, daß zwei oder mehrere optische Faseranordnungen parallel zur Abtastzeile unter einem Winkel von 45° gegenüber der Papieroberfläche derart angeordnet sind, daß jede Faseranordnung den gewünschten Sammelring schneidet. Diese Lichtleitfasern münden gebündelt an einem einzigen Detektor, so daß jede beleuchtete Position auf der Dokumentenoberfläche einem zeitabhängigen Detektorsignal zugeordnet werden kann. Vorrichtungen mit dieser Art von Faseroptik sind aufwendig und zwar einerseits wegen der hohen Kosten für die . Faseroptik und andererseits weil sie einen großflächigen Detektor benötigen, beispielsweise einen Fotovervielfacher, ' um das gesammelte Licht zu messen. Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtungen liegt darin, daß ihr Wirkungsgrad durch die An-.zahl der Faseranordnungen beschränkt ist, welche in dem Kreisring angeordnet werden können, sowie des weiteren durch die .Detektoxflache des Fotovervielfachers, auf welcher die Faserbündel enden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte elektrooptische Vorrichtung zum Lesen und/oder Schreiben von Informationen von oder auf einer Fläche zu schaffen, die sich insbesondere durch einen verringerten gerätemäßigen Aufwand sowie eine gute Signalausbeute auszeichnet. Diese

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Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß ein Phasenhologramm in die Nähe einer beleuchteten, abzutastenden Fläche gebracht wird, um einen wesentlichen Teil der die Information beinhaltenden diffusen Komponente zu sammeln und auf einen optischen Detektor zu fokussieren. Dieses Hologramm erfaßt gleichzeitig die diffuse Komponente von allen Meridianen innerhalb des gewünschten Sammelrings und weist die informaiionslose, durch Spiegelung entstandene Komponente zurück. Die gleiche Optik, welche zum Fokussieren und Beleuchten der Dokumenten fläche benutzt wird, kann gleichzeitig zur Übertragung der vom Hologramm gesammelten diffusen Komponente zum optischen Detektor für Lesezwecke verwendet werden oder zu einer Schreiboptik :un J

Zwecke der Aufzeichnung. Hierdurch werden der gerätemäßige Aufwand der Vorrichtung und die Herstellungskosten erheblich verringert .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen

die Fig. 1A und 1B schematisch Seitenansichten der

Vorrichtung -bei der Verwendung als Lesevorrichtung bzw. Schreibvorrichtung; die Fig. 2A und 2B eine andere Ausführungsform, bei

der zur Abtastung ein Polygonspiegel dient; --.Fig. 3 eine isometrische Darstellung einer optische:!

Lesevorrichtung mit Polygonspiegel; Fig. 4 einen optomechanischen Abtastkopierer mit

Abtastvorrichtung;
Fig. 5 im Schnitt die Erzeugung des Phasenhologramms;

und

die Fig. 6Λ unid 68 eine zweite Art dc:r Erzeugung des Phasenholoqramms.

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Bei der Ausführung nach den Fig. 1A und 1B umfaßt die Abtastvorrichtung eine Lichtquelle 10, einen schwenkbaren Strahlenteiler 11, eine primäre Fokussierlinse oder Optik 12, ein Phasenhologramm 13, eine abzutastende Fläche 14, eine sekundäre oder Detektoroptik 15, eine Aperturblende 16 sowie einen optischen Detektor 1.7-r

Das Licht der Lichtquelle 10, beispielsweise eines HeNe-Lasers fällt durch den Strahlenteiler 11 auf die Fokussierlinse 12, welche die Lichtquelle durch den unmodulierten Teil 19 des Hologramms 13 in einem Punkt 20 auf der Fläche 14 des lichtundurchlässigen Dokuments abbildet, das abgetastet und gelesen werden soll. Der Brennfleck 20 kann beispielsweise einen Durchmesser von 100 μ haben. Im Betrieb wird die Dokumentenfläche durch einen nicht dargestellten Mechanismus in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen bewegt, beispielsweise nach Art eines Rasterabtastmusters, so daß jeder Teil des Dokuments 14 einmal unter dem Brennfleck 20 erscheint, wo der betreffende Teil des Dokuments gelesen wird.

Die diffuse Komponente des von der Fläche 14 im Punkt 20 reflektierten Lichts wird vom modulierten Teil 21 des Hologramms 13 aufgenommen und durch die Optik 12 auf den Strahlenteiler fokussiert. Dieser überträgt das Licht zur Detektoroptik 15, von wo es durch die"Apertu'rblende 16 zum Detektor 17 gelangt.

Fig. 1B zeigt den Strahlenverlauf, wenn der Strahlenteiler 11 aus dem optischen Weg herausgeschwenkt ist. In dieser Anordnung kann-das gleiche optische System als berühruhgsfreier Drucker oder Schreiber verwendet werden. Das Licht der Lichtquelle 10 wird von der Optik 12 durch den unmodulierten Teil 19 des Hologramms. 13 auf den Punkt 20 der Aufzeichnungsfläche 18 fokussiert. Die gleiche optische Anordnung kann also entweder als Lesevorrichtung'gemäß Fig. 1A oder als Schreibvorrichtung gemäß Fig. IB benutzt werden. Dabei ist es nicht einmal unbedingt erforderlich, den Strahlenteiler 11 aus dem optischen Weg herauszuschwenken, obwohl dies aus Gründen eines möglichst

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hohen Schreibwirkungsgrades zweckmäßig ist. Auch braucht die zu beschreibende Fläche nicht unbedingt derart angeordnet zi. sein, daß der Lichtweg durch den unxnodulierten Teil 19 des Hologramms verläuft. Wie die gestrichelt eingezeichnete Abwandlung andeutet, kann der Strahlenweg zu einer zu beschrcibenden Fläche 92 über einen Ablenkspiegel 90 laufen, der au; der dargestellten Position herausgeklappt wird, wenn wie in Fig. 1A beschrieben, die Fläche 14 zu Lesezwecken abgetastet wird. Für Schreibzwecke kann die Fläche 9 2 mit einem fotoempfindlichen Material beschichtet sein.

Eine andere Ausführungsform einer elektrooptischen Lesevorrichtung zeigen die Fig. 2A, 2B und 3. Hier wird ein herkömmlicher Poly.gonabtastspiegel 22 verwendet, dessen Polygonflachen 26 um die Achse 23 rotieren. Der Polygonspiegel ist optisch zwiscien den Strahlenteiler 11 und die Fokussieroptik 12 derart eingeschaltet, daß die Abtastung des Dokuments 14 durch die Bewegung des Punktes 20 über das Dokument 14 erfolgt, wie dies durch die unterschiedlichen Positionen des Punktes 20 in der. Fig. 2Λ und 2B angedeutet ist. Die Bewegung des Punktes 20 erfolgt parallel zum Hologramm 13 in Richtung der Achse 27 (vergl. Fig. 3) in der einen Richtung, während die Abtastunc in der hierzu senkrechten Richtung 2 5 durch Verschiebung des Dokuments 14 in Richtung dieser Achse bewirkt wird. Licht von der Lichtquelle 10 wird über den Strahlenteiler 11 und die aufeinanderfolgenden Spiegelflächen 26 des Polygonspiegels VX₁ durch die Fokussieroptik 12 und den unmodulierten Teil 19 des Hologramms 13 auf die Dokumenten fläche 14 geworfen. Eine transparente Folie oder Platte, beLspielsweise eine Glasplatte trennt das Hologramm von der Dokumentenflache 14.

Wie du· Fig. 3 und 4 zeigen, wird das Hologramm 13 von einer Rahmen 24 im Abstand vom Dokument 14 gehalten, welches durrci-> eine VorschubeinrLchtung in Richtung des Pfeils 2 5 bewegt νιίά. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der in Fig. 3 schema tischdargestellten holographischen Abtastvorrichtung nit Polygon-

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Spiegel, wobei Riemen 29 und ein Motor 50 für die Bewegung in Richtung des Pfeils 25 sorgen. Der Kasten 51 enthält die op- "f tische Abtastvorrichtung mit dem Polygonspiegel 22, dem Strahlen- ^;; teiler 11, der Detektoroptik 15, dem Detektor 17 sowie der Licht-?_} quelle 10. Ein Deckel 24 hält das Hologramm 13. Eine transparente :. Platte 28 und ein Dokument 14 befinden sich oberhalb der Abtast- :^: vorrichtung und können durch eine die gesamte mechanische Ej ί- "· richtung umschließende Abdeckung in ihrer Lage gehalten weriun.

Das optische Lesehologramm 13 kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Fig. 5 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung der für die Aufzeichnung des Hologramms 13 benötigten Interferenzstreifen. ^ Eine Linse 30 mit einer zentralen Öffnung 38 läßt den Bezugsstrahl 31 durch den Zentralbereich hindurchtreten, während der äußere Teil des Strahls durch die Linse 30 auf einen Punkt unterhalb des Hologramms 13 fokussiert wird. Die Interferenzzcne zwischen den beiden sich ergebenden Wellenfronten erzeugt eine Ringfläche auf der Oberfläche des holographischen Aufzeichnungsmediums, das beispielsweise aus einem fotoresistiven Material bestehen kann. Die Blende 33 verhindert eine Belichtung des zentralen Teils der holographischen Fläche, Vielehe, wie oben erwähnt, nur zur übertragung der Beleuchtung zum Punkt 20 auf dem Dokument 14 dient. Es entsteht ein Phasenhologramm. Um ein Hologramm zu erzeugen, mit .dem über die gesamte Breite der Abtastzeile gelesen werden kann", wird, eine Reihe überlappender Hologramme benötigt. Man erzielt dies dadurch, daß man das Hologramm während der Belichtung längs der gewünschten Abtastzeile verschiebt. Die Hologrammaufzeichnungsachse wird in der Ebene des Abtaststrahls als Funktion der jeweiligen Strahlposition gedreht derart, daß die Achse des Lesestrahls gleichachsig mit dem Abtaststrahl während der Beleuchtung und des j Lesens verläuft. Bei Anwendung in einer Vorrichtung nach den · .-.| Fig. 2 und 3 verhindert "eine rechteckige Blende 80 (vergl. Ί Fig. 5 und 6A), die sich auf oder unmittelbar vor dem Hologramm | 13 befindet, eine Belichtung des unmodulierten Teils 19 des ·] Hologramms, wodurch die in Fig. 3 gezeigte Form des Hologramms ■ < entsteht. Das von einem auf diese Weise erzeugten Hologramm , [ gesammelte Licht wird durch die maximale numerische Apertur ' ■

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der Aufzeichnungslinse 30 begrenzt,die etwa 0,6 beträgt. ,Dies entspricht einem maximalen Sammelwi.nk.cl 3-9 von etwa 45°

Der Wirkungsgrad der Vorrichtung läßt sich verbessern, wenn das Hologramm 13 wie in Fig. 6 dargestellt erzeugt wird. Durch Verwendung von zwei Zylinderlinsen 32 kann der Sammelwinkel auf annähernd 90° des gewünschten Kollektorrings erhöht werden. Drei in Phase befindliche Bezugsstrahlen 61, 40 und 41 beleuchten wie dargestellt, die holographische Fläche 13. Die erzeugten Interferenzstreifen sind nicht kreisförmig wie in Fig. 5, sondern verlaufen parallel zur Abtastzeile. Um die diffuse Komponente des orthogonal reflektierten Lichtes zu erfassen, wird, wie Fig. 6B zeigt, eine zweite Gruppe von Interferenzstreifen überlagert, die unter 90° versetzt aufgezeichnet werden.

In Fig. 6B beleuchtet der Parallelstrahl 42 das Hologramm durch die Objektivlinse 34 eines Mikroskops, eine Blende 35, eine Zylinderlinse 36 sowie einen Strahlenteiler 37 und erzeugt eine sphärische Wellenfront. Der Winkel 44 des Objektstrahls ist an den maximalen Abtastwinkel der optischen Abtastvorrichtung angepaßt und beträgt beispielsweise 30°. Eine ebene zweite Wellenfront, dargestellt durch den Bezugsstrahl wird am Strahlenteiler 37 reflektiert und erzeugt kreisförmige Interferenzstreifen auf den"Hologramm 13. Auf diese Weise folgt die Ortsfrequenz der Interferenzstreifen einer Fresnel-Verteilung^und bei der Wiedergabe verhalten sich die beiden Gruppen überlagerter Interferenzstreifen an jeder Stelle der Abtastzeile wie ein Paar gekreuzter Zylinderlinsen.

Im Rahmen der Erfindung sind gegenüber den dargestellten Ausführungsbeispielen sowohl hinsichtlich der Anordnung der einzelnen Bauteile als auch hinsichtlich der Erzeugung der Hologramme und des Einsatzes der optischen Ablenkmittel zahlreiche Abwandlungen möglich. Die dargestellten Ausführungsformen sind als bevorzugte Ausführungsbeispiele anzusehen.

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Claims (11)

1. Patentansprüche:

   .".>>-"_ 1. Elektro-optische Abtastvorrichtung für optische In format ionen tragende Flächen, gekennzeichnet

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   a) eine Lichtquelle (10) zur Erzeugung eines Lichtstrahls;

   b) einen optischen Strahlenteiler.(11)

   — - . c) eine erste Fokussieroptik (12) für den vom Strahlenteiler

   (11) kommenden Lichtstrahl;

   d) eine in unmittelbarer Nähe zur Informationsträgerfläche (14) angeordnete optische Sammel- und Auswahleinrichtung

   -■■· - ■ (13) mit einem unmodulierten Bereich (19) , durch den hindurch der Lichtstrahl auf die Informationsträgerflache (14) fokussiert wird, sowie mit einem modulierten Bereich (21), durch den von der Informationsträgerflache (14) korrjnendes Licht gesammelt und über die erste Foküssieroptik (12) auf den Strahlenteiler (11) geworfen wird;

   e) einen lichtelektrischen Detektor (17); sowie

   f) eine zweite Fokussieroptik (15), welche das über den Strahlenteiler (11) von der Informationsträgerfläche (14 kommende Licht auf den Detektor (17) wirft.

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2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sammel- und Auswahleinrichtung (13) mit Informationsinhalt behaftetes, von der Informations trägerfläche (14) kommendes Licht von Störlicht trennt und auf die erste Fokussieroptik (12) wirft.
3. .^■W^·- ,«-^~?' Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, .dadurch g e " : kennzeichnet , daß die Sammel-.und Auswahleinrichtung (13) ein Hologramm, vorzugsweise ein Phasenholograram ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3,- dadurch ge kenn zeichnet , daß das Phasenholoqramm (M) paralLe! zur Informationsträger lache (14) angeordnet ist.

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5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Bewegungsvorrichtung (25,50) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Informationsträgerfläche (14) und der Sammei- und Auswahleinrichtung (13).
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine im Lichtweg zwischen Strahlenteiler (11) und erster Fokussieroptik (12) angeordnete Abtasteinrichtung (22,23,26), welche den Lichtstrahl nacheinander auf verschiedene Teile der Informationsträgerfläche (14) wirft.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung (22, 23,26) den Lichtstrahl gegenüber der Informationsträgerfläche (14) in einer ersten Richtung (27) ablenkt und die Informationsträgerfläche (14) in einer hierzu senkrechten zweiten Richtung (25) verschiebbar geführt ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichturg (22,23,26) einen rotierenden Polygonspiegel enthält.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (11) zwischen einer Lesestellung und einer Schreibstellung umstellbar ist, wobei er in der Lesestellung (Fig. 1Λ) im Lichtweg zwischen Lichtquelle

   (10) und erster Fokussieroptik (12) wirksam ist und von der Informationsträgerfläche (14) kommende Strahlung zur Detektor (17) leitet, während der Strahlenteiler (11) in dor Schreibstellung (Fig. IB) kein Licht von der Informationsträgerflache (14) empfängt.

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10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e - ,^ kennzeichnet , daß im Lichtweg zwischen

    erster Fokussieroptik und Informationsträgerfläche (14^. ein Spiegel (90), vorzugsweise ein Schwenkspiegel angeordnet ist, der bei Schreibbetrieb den Lichtweg zur Informationsträgerfläche (14) sperrt und das Licht stattdessen .__ zu einer anderen Informationsträgerfläche (92) hin ab-. lenkt. """
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (11) ein teildurchlässiger Spiegel ist.