DE3020241A1 - Light beam scanning system - uses two afocal lens systems between rotating mirror, light deflecting element and light source - Google Patents

Light beam scanning system - uses two afocal lens systems between rotating mirror, light deflecting element and light source

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DE3020241A1 DE19803020241 DE3020241A DE3020241A1 DE 3020241 A1 DE3020241 A1 DE 3020241A1 DE 19803020241 DE19803020241 DE 19803020241 DE 3020241 A DE3020241 A DE 3020241A DE 3020241 A1 DE3020241 A1 DE 3020241A1
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Abstract

The correction system for an optical scanning arrangement using a rotating polygonal mirror is designed to reduce loss of intensity of e.g. a laser beam, in addition to correction of angular faults. Between the light source and a light deflecting member, which can be an acousto-optical element, is an optical system. Between this element and the mirror is a second optical system. The second system has two lenses forming an afocal system. The first lens focuses on the focal point of the deflecting element, and the second lens focuses onto the mirror.

Description

Lichtstrahl-Abtastungssystem Light beam scanning system

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtstrahl-Abtastungssystem mit einem polygonalen rotierenden Spiegel und insbesondere auf ein Abtastsystem, das einen Punktstrahl ohne Lagedifferenz auf einer Abtastfläche abtasten kann.The invention relates to a light beam scanning system a polygonal rotating mirror and in particular to a scanning system that can scan a point beam without a positional difference on a scanning surface.

Die Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen Teil der Konstruktion eines übibhen Lichtstrahl-Abtastungssystems, Fig. 2 die Auftreffstellung des Lichtstrahls auf dem polygonalen rotierenden Spiegel in diesem System, Fig. 3 eine Auftreffbedingung des Lichtstrahls auf der Abbildungslinse im üblichen System, Fig. 4 den Aufbau eines anderen Systems und die Licht- bis 6 strahlbedingungen dabei, Fig. 7 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Lichtstrahl- Abtastungs- und 8 systems, Fig. 9 das erste und zweite optische System, das in dem erfindungsgemäßen Abtastungssystem verwendet ist und Fig. 10 Ausführungsformen, wobei Fig. lo die Gesamtkonstruktion und 11 und Fig. 11 das erste und zweite optische System zeigt. The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. In the drawings, Fig. 1 shows a part of the construction of a conventional light beam scanning system, Fig. 2 shows the position of incidence of the light beam on the polygonal rotating mirror in this system, Fig. 3 shows a condition of incidence of the light beam on the imaging lens in the conventional system, Fig. 4 shows the structure of another system and the light up to 6 blasting conditions included, Fig. 7 shows the structure of a light beam scanning according to the invention and 8 systems, Fig. 9 shows the first and second optical systems used in the scanning system of the present invention and Fig. 10 embodiments, Fig. Lo the overall construction and Fig. 11 and Fig. 11 show the first and second optical systems.

In einem Lichtstrahl-Abtastungssystem mit einem rotierenden polygonalen Spiegel tritt eine Ungleichmäßigkeit der Strahlneigung oder ein Schaukeleffekt auf, wenn Winkelfehler auf den entsprechenden Oberflächen des rotierenden polygonalen Spiegels vorhanden sind. Um diese Ungleichmäßigkeit der Strahlneigung o.der Schaukelbewegung, die durch Winkelfehler verursacht sind, zu korrigieren, ist es bekannt, eine Methode mit einem Lichtumlenkelement, beispielsweise einem akustischoptischen Element zu verwenden. Es wird dabei, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Lichtumlenkelement 2, beispielsweise ein akustischoptisches Element, zwichen einer Lichtquelle 1 und dem polygonalen rotierenden Spiegel 3 angeordnet und wenn ein Winkelfehler E auf dem rotierenden polygonalen Spiegel auftritt, wird die Ungleichmäßigkeit der Strahlneigung oder dessen Schaukeln durch Korrektur des Strahlwinkels beseitigt, nachdem dieser durch den polygonalen rotierenden Spiegel reflektiert worden ist, wobei der Strahl von der Lichtquelle um 2 £ mittels des Ablenkelementes abgelenkt wird. Dieses Verfahren hat jedoch einen Nachteil, der darin besteht, daß eine Strahlauslöschung auftreten kann. Wenn, wie in Fig. 2 gezeigt, Lagedifferenzen (a x, b y ) zur Auftreffposition 4 des Strahles ohne Lagedifferenzen vorliegen, kann die Auftreffstellung des Strahles bei 4' liegen, wobei der schraffierte Teil abgeschnitten ist und damit ein Verlust an Lichtmenge auf der Abtastfläche auftritt. Wenn dies bei einem Aufzeichnungssystem auftritt, kann es sein, daß keine Aufzeichnung wegen Fehlens von Energie erfolgt.In a light beam scanning system with a rotating polygonal Mirror if the inclination of the beam or a rocking effect occurs, when angular errors on the corresponding surfaces of the rotating polygonal Mirror are present. To avoid this unevenness of the beam inclination or the rocking motion, To correct those caused by angular errors, it is known to be a method with a light deflecting element, for example an acousto-optical element use. As shown in FIG. 1, a light deflecting element 2, for example an acousto-optical element between a light source 1 and the polygonal one rotating mirror 3 arranged and if an angle error E on the rotating polygonal mirror occurs, the unevenness of the beam inclination or its rocking is eliminated by correcting the beam angle after this has passed the polygonal rotating mirror has been reflected, the beam from the light source is deflected by 2 £ by means of the deflection element. This method however, it has a disadvantage that beam cancellation occurs can. If, as shown in Fig. 2, position differences (a x, b y) to the impact position 4 of the beam without positional differences can be the point of impact of the beam lie at 4 ', with the hatched part being cut off and thus a loss of light amount occurs on the scanning surface. If this is the case with a recording system occurs, no recording may be made due to lack of power.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Durchmesser des Fleckens vergrößert wird. Da eine reflektierende Fläche 3a des polygonalen rotierenden Spiegels eine Eintrittspupille einer abbildenden Linse darstellt, ist die Höhe des auftreffenden Strahls relativ zur Abbildungslinse hoch, wenn eine Lagedifferenz auftritt, wie in Fig. 3 gezeigt, und dadurch verstärkt sich sphärische Aberration und der Durchmesser des erqibt sich.Another disadvantage is that the diameter of the spot is enlarged. As a reflecting surface 3a of the polygonal rotating mirror represents an entrance pupil of an imaging lens, is the height of the incident Beam high relative to the imaging lens when a positional difference occurs, such as shown in Fig. 3, thereby increasing spherical aberration and diameter that surrenders.

Fleckens wächst. Weiterhin wenn eine Lagedifferenz in dem Ausmaß von d y auftritt, ein Auftreffwinkel w bezüglich der Abtastfläche zu ; = A y/f, worin f die Brennweite der abbildenden Linse bezeichnet, da der Strahlenfluß den in Fig. 3 n durch schraffierte Linie bezeichneten Bereich durchläuft. Wenn daher die Abtastfläche 6 sich um den Betrag d bewegt und in die Stellung 6' , wie in Fig. 3 eingezeichnet, kommt, tritt eine Ungleichmäßigkeit der Strahlneigung oder ein Schaukeln um den Wert & g d d .fiD auf.The spot grows. Furthermore, if there is a positional difference to the extent of d y occurs, an angle of incidence w with respect to the scanning surface to; = A y / f, where f denotes the focal length of the imaging lens, since the beam flux corresponds to the one shown in Fig. 3 passes through n area indicated by the hatched line. Therefore, if the scanning area 6 moves by the amount d and into the position 6 ', as shown in Fig. 3, comes, the inclination of the jet or the rocking around the jet becomes uneven Value & g d d .fiD on.

Zur Vermeidung dieses Fehlers bei Lichtstrahl-Abtastungssystemen mit rotierendem polygonalen Spiegel ist es, wie in Fig. 4 bis 6 gezeigt, bereits vorgeschlagen worden, ein zusätzliches optisches System vorzusehen. Solch ein Lichtstrahl-Abtastungssystem ist zur Korrektur sowohl von Strahlenwinkeln als auch Lagedifferenzen mit einem optischen System versehen, das zwischen dem korrigirenden Umlenkelement 2 und dem polygonalen rotierenden Spiegel 3 angeordnet ist und das konjugierende Punkte an dem korrigierenden Umlenkelement 2 und dem polygonalen rotierenden Spiegel 3 besitzen kann. Wenn jedoch in diesem Abstastsystem ein akustisch-optisches Element oder dergleichen als korrigierendes Lichtumlenkelement verwendet wird, ist der Durchmesser a des Strahles1 der das akustisch-optische Element erreicht, groß infolge einer Expansion des Laser-Winkels von der Lichtquelle, wodurch die Umlenkwirksamkeit verschlechtert und ein Verlust an Lichtintensität verursacht wird.To avoid this error in light beam scanning systems with rotating polygonal mirror, as shown in FIGS. 4 to 6, has already been proposed have been to provide an additional optical system. Such a light beam scanning system is used to correct both beam angles and Position differences provided with an optical system between the corrective deflecting element 2 and the polygonal rotating mirror 3 is arranged and the conjugate Points on the corrective deflector 2 and the polygonal rotating mirror 3 can own. If, however, an acousto-optical element is used in this scanning system or the like is used as the corrective light redirecting member is the diameter a of the ray 1 that reaches the acousto-optic element, large as a result of a Expansion of the laser angle from the light source, which degrades the deflecting efficiency and a loss of light intensity is caused.

Auch bei Verwendung von anderen Arten von Umlenkelementen wird durch die Ausdehnung des Strahles ein Verlust an Lichtintensität hervorgerufen. Weiter tritt das Problem des Abschneidens von Strahlung durch Anwachsen der Höhe der auftreffenden Strahlung im optischen System 7 auf.Even if other types of deflection elements are used, the the expansion of the beam caused a loss of light intensity. Further the problem of cutting off radiation occurs by increasing the height of the incident Radiation in the optical system 7.

Der vorliegendenErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtstrahl-Abtastungssystem anzugeben, bei dem diese Nachteile der bisher bekannten Systeme vermieden werden.It is an object of the present invention to provide a light beam scanning system specify in which these disadvantages of the previously known systems are avoided.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale.This is achieved according to the invention by what is characterized in the claims Characteristics.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Lichtstrahl-Abtastungssystem angegeben, das in der Lage ist, eine Ungleichmäßigkeit der Neigung und eine durch Winkelfehler des polygonalen rotierenden Spiegels verursachte Schaukelbewegung zu korrigieren und dabei einen Verlust an Licht zu vermeiden. Hierzu wird das korrigierende Lichtumlenkelement zwischen der Lichtquelle und dem polygonalen rotierenden Spiegel derart angeordnet, daß Lichtquelle und Lichtumlenkelement an konjugierten Punkten eines dazwischenliegenden ersten optischen Systems und Lichtumlenkelement und polygonaler rotierender Spiegel an konjugierten Punkten eines dazwischen vorgesehenen zweiten optischen Systems liegen.The present invention provides a light beam scanning system indicated that is capable of an unevenness of slope and one through Angular error of the polygonal rotating mirror caused rocking motion correcting it while avoiding loss of light. To do this, the corrective Light deflecting element between the light source and the polygonal rotating mirror arranged such that the light source and light deflecting element at conjugate points an intermediate first optical system and light deflecting element and polygonal rotating mirror at conjugate points of a second provided in between optical system.

In Fig. 7 und 8 verläuft der Strahlengang von einer Lichtquelle 1, einem korrigierenden Lichtumlenkelement 2, einem polygonalen rotierenden Spiegel 3, einer Abbildungslinse 5 zur Abtastfläche. 6. Ein zweites optisches System ist so angeordnet, daß seine konjugierten Punkte bei dem korrigierenden Lichtumlenkelement 2 und der reflektierenden Oberfläche des polygonalen rotierenden Spiegels 3 liegen. Insoweit entspricht der Aufbau dem in Fig. 4 bis 6 gezeigten. Weiter ist ein erstes optisches -System 8 so angeordnet, daß dessen konjugierte Punkte an der Lichtquelle 1 und dem Lichtumlenkelement 2 liegen.In Fig. 7 and 8 the beam path runs from a light source 1, a corrective light deflecting element 2, a polygonal rotating mirror 3, an imaging lens 5 to the scanning surface. 6. A second optical system is arranged so that its conjugate points are at the corrective light deflecting element 2 and the reflective surface of the polygonal rotating mirror 3 lie. To this extent, the structure corresponds to that shown in FIGS. Next is a first optical system 8 arranged so that its conjugate points at the light source 1 and the light deflecting element 2 lie.

Das Lichtstrahl-Abtastungssystem ist nach der Erfindung so statt ausgebildet, daß des Lichtstrahls von der Lichtquelle 1 deren Bild durch das erste optische System 8 auf dem Lichtumlenkelement -2 erzeugt wird, worauf dies von dem Lichtumlenkelement 2 im Verhältnis zum Winkel fehler des polygonalen rotierenden Spiegels abgelenkt ist, worauf es nach Durchlauf des zweiten optischen Systems von dem polygonalen rotierenden Spiegel rotiert und weiter auf die Abtastfläche durch die Abbildungslinse abgebildet wird. Durch Verwendung eines solchen Abtastsystems tritt kein Lichtverlust usw. auf, da der Lichtstrahldurchmesser nicht anwächst, wenn der Strahl das Lichtumlenkelement zur Korrektur der Winkelfehler des polygonalen rotierenden Spiegels erreicht und weiterhin tritt auch keine Strahlabschneidung auf, da die Höhe der auftreffenden Strahlung zum zweiten optischen System nicht vergrößert ist. Da durch das zweite optische System kein Lagefehler auf einer reflektierenden Oberfläche des polygonalen rotierenden Spiegels auftritt, treten selbstverständlich auch die mit dieser Lagedifferenz verbundenen Fehler nicht auf.The light beam scanning system is designed according to the invention so instead of that of the light beam from the light source 1 its image through the first optical system 8 is generated on the light deflecting element -2, whereupon this is done by the light deflecting element 2 in relation to the angular error of the polygonal rotating Mirror is deflected, whereupon it is after passing through the second optical system from the polygonal one rotating mirror rotates and continues onto the scanning surface through the imaging lens is mapped. By using such a scanning system, there is no loss of light etc., since the light beam diameter does not increase when the beam passes the light deflecting element to correct the angular error of the polygonal rotating mirror achieved and furthermore, there is also no beam clipping, since the height of the impinging Radiation to the second optical system is not increased. Because through the second optical system no positional error on a reflective surface of the polygonal rotating mirror occurs, of course those with this positional difference also occur related error does not appear.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel des ersten oder zweiten optischen Systems, welches in erfindungsgemäßen Abtastsystemen verwendbar ist und zwei Linsen L1 und L2 enthält, welche die Brennweiten f1 und f2 besitzen und so angeordnet sind, daß sie die in der Zeichnung dargestellten Lageverhältnise zwischen einem Objekt 0 und dem Bildpunkt 0' erfüllen, wodurch das optische System vom afokalen Typ ist. In diesem optischen er SystemXreicht der Strahlenfluß einer ebenen Welle vom Punkt O den Punkt O' in der Form einer ebenen Welle und die Bildvergrößerung des so geformten Bildes wird durch f2/fl ausgedrUckt.Fig. 9 shows an embodiment of the first or second optical System which can be used in scanning systems according to the invention and two lenses L1 and L2, which have the focal lengths f1 and f2 and are arranged in such a way that that they are the relationships shown in the drawing between an object 0 and the pixel 0 ', whereby the optical system is of the afocal type. In this optical system, the ray flux of a plane wave extends from the point O the point O 'in the shape of a plane wave and the image magnification of the so shaped Image is expressed by f2 / fl.

Daher kann beispielsweise, wenn dieses optische System als zweites optisches System vorgesehen ist, es auch als Strahlenaufweiter verwendet werden, wie er normalerweise in einem Lichtstrahl-Abtastungssystem dieser Art verwendet wird.Therefore, for example, if this optical system is the second optical system is provided, it can also be used as a beam expander, as normally used in a light beam scanning system of this type will.

Wenn bezüglich des ersten und zweiten optischen Systems e den Auftreffwinkel auf der Linse L1 und e # den Austrittswinkel des Strahls von der Linse L2 bezeichnet, ist es notwendig, daß die durch 0' = s 0 ( (OL =konstant ) gegebene Bedingung erfüllt ist. Weiterhin sind im Falle der in Fig. 9 dargestellten Anordnung die folgenden Ansätze anwendbar #' = f2 ---# 2 Die Werte von L und S, wie sie in Fig. 9 eingezeichnet sind, werden aus der mechanischen Struktur des ganzen Systems bestimmt und der Winkel O kann nicht willkürlich bestimmt werden.With respect to the first and second optical systems, if e denotes the angle of incidence on the lens L1 and e # denotes the angle of exit of the beam from the lens L2, it is necessary that the condition given by 0 '= s 0 ((OL = constant) is satisfied Furthermore, in the case of the arrangement shown in Fig. 9, the following approaches are applicable # '= f2 --- # 2 The values of L and S as drawn in Fig. 9 are determined from the mechanical structure of the whole system and the angle θ cannot be determined arbitrarily.

Deshalb werden die Längen f1 und f2 unter Berücksichtigung dieser Werte festgelegt. Ein Beispiel für das zuvor beschriebene Abtastsystem nach der Erfindung ist schematisch in Fig. lo dargestellt. Die entsprechenden Werte D1 bis D6 betragen D1= loo, D2=202,o4, D3=loo D4= 36, D5=282,o4, D6=384 worin D1 den Abstand zwischen der Lichtquelle und dem ersten optischen System 8, D2 die Länge des ersten optischen Systems 8, D3 den Abstand zwischen dem ersten optischen System 8 und dem Lichtumlenkelement 2,D4 den Abstand zwischen dem Lichtumlenkelement 2 und dem zweiten optischen System 7, D5 die Länge des zweiten optischen Systems 7 und D6 den Abstand zwischen dem zweiten optischen System 7 und dem polygonalen rotierenden Spiegel 3 bezeichnet.Therefore, the lengths f1 and f2 are taken into account Values set. An example of the above-described scanning system according to The invention is shown schematically in Fig. Lo. The corresponding values D1 to D6 are D1 = loo, D2 = 202, o4, D3 = loo D4 = 36, D5 = 282, o4, D6 = 384 wherein D1 the distance between the light source and the first optical system 8, D2 the Length of the first optical system 8, D3 the distance between the first optical System 8 and the light deflecting element 2, D4 the distance between the light deflecting element 2 and the second optical system 7, D5 the length of the second optical system 7 and D6 the distance between the second optical system 7 and the polygonal one rotating mirror 3 designated.

Die numerischen Daten bezüglich des ersten und zweiten optischen Systems sind entsprechend der schematischen Darstellung in Fig. 11 Tabelle 1 (erstes optisches System)-f1 = f2 = 100 rl=51,462 d =3,0 ntl ,51633 =6 4 , 1 r2 r3= o0 d2=196,o4 r4=-51,462 d3=3,o n2= 1,51633 02=64,1 Tabelle 2 ( zweites optisches System) f1=40 , f2= 240 r1 -20#585 d1= 3,0 n1-1,51633 0 d2-276,o4 r3 = 00 d3=3,0 n2-1,51633#2 =64,1 r--123,509 wobei die Werte von D, r und d in mm angegeben sind. The numerical data relating to the first and second optical Systems are according to the schematic representation in Fig. 11 Table 1 (first optical system) -f1 = f2 = 100 rl = 51.462 d = 3.0 ntl, 51633 = 6 4, 1 r2 r3 = o0 d2 = 196, o4 r4 = -51.462 d3 = 3, o n2 = 1.51633 02 = 64.1 Table 2 (second optical system) f1 = 40 , f2 = 240 r1 -20 # 585 d1 = 3.0 n1-1.51633 0 d2-276, o4 r3 = 00 d3 = 3.0 n2-1.51633 # 2 = 64.1 r - 123.509 where the values of D, r and d are given in mm are.

Wenn bei dieser Ausführungsform ein He-Ne-Laser als Lichtquelle verwendet wird, dessen Strahlendurchmesser in der Größenordnung von 1 mm liegt, so liegt der Durchmesser des das Lichtumlenkelement erreichenden Strahls ebenfalls in der Größenordnung von 1 mm und dieser Strahl erreicht die Abbildungslinse,nachdem er durch das zweite optische System 7 auf etwa 6 mm verbreitert worden ist.When using a He-Ne laser as a light source in this embodiment whose beam diameter is in the order of magnitude of 1 mm, then lies the Diameter of the beam reaching the light deflecting element is also of the order of magnitude of 1 mm and this beam reaches the imaging lens after passing through the second optical system 7 has been widened to about 6 mm.

Wie sich aus der vorstehenden Erläuterung der Erfindung ergibt, ist es mit dem erfindungsgemäßen Lichtstrahl-Abtastungssystem möglich, die Nachteile der üblichen Systeme, wie Verlust. an Lichtintensität, dadurch zu vermeiden, daß zwischen der Lichtquelle und dem Lichtumlenkelement ein optisches System vorgesehen ist, dessen kunjugierte Punkte bei der Lichtquelle und dem Lichtumlenkelement liegen. LeerseiteAs can be seen from the above explanation of the invention it is possible with the light beam scanning system according to the invention, the disadvantages of the usual systems, such as loss. of light intensity by avoiding that an optical system is provided between the light source and the light deflecting element whose conjugate points lie at the light source and the light deflecting element. Blank page

Claims (3)

Patentansprüche C) Lichtstrahl-Abtastungssystem mit einer Lichtquelle, einer Abtastfläche, einem polygonalen rotierenden Spiegel zwischen der Lichtquelle und der Abtastfläche zur Reflektion des Strahls von der Lichtquelle und dessen Abtastung auf der Abtastfläche, wobei zwischen der Lichtquelle und dem polygonalen rotierenden Spiegel ein Lichtumlenkelement angeordnet ist, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h ein erstes optisches System (8), das so angeordnet ist, daß dessen konjugierte Punkte an der Lichtquelle (1) und dem Lichtumlenkelement (2) liegen und durch ein zweites optisches System (7), das so angeordnet ist, daß dessen konjugierte Punkte an dem Lichtumlenkelement (2) und an dem polygonalen rotierenden Spiegel (3) liegen. Claims C) light beam scanning system with a light source, a scanning surface, a polygonal rotating mirror between the light source and the scanning surface for reflecting and scanning the beam from the light source on the scanning surface, being between the light source and the polygonal rotating Mirror a light deflecting element is arranged, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h a first optical system (8) which is arranged so that its conjugate Points on the light source (1) and the light deflecting element (2) lie and through a second optical system (7) arranged so that its conjugate points on the light deflecting element (2) and on the polygonal rotating mirror (3). 2. Lichtstrahl-Abtastungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische System (7) zwei Linsenglieder enthält, die ein afokales optisches System bilden, das so angeordnet ist, daß der rückwärtige Brennpunkt des zur Seite des Lichtumlenkelementes (2) gelegenen Linsenglieds mit dem vorderen Brennpunkt des zur Seite des polygonalen rotierenden Spiegels (3) gelegenen Linsengliedes zusammenfällt. 2. Light beam scanning system according to claim 1, characterized in that that the second optical system (7) contains two lens elements, an afocal Form an optical system which is arranged so that the rear focal point of the on the side of the light deflecting element (2) located lens element with the front focal point of the lens element located on the side of the polygonal rotating mirror (3) collapses. 3. Lichtstrahl-Abtastungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische System (8) zwei Linsenglieder enthält, die ein afokales optisches System bilden und so angeordnet sind, daß der hintere Brennpunkt des zur Seite der Lichtquelle gelegenen Linsengliedes mit dem vorderen Brennpunkt des zur Seite des Lichtumlenkelementes (2) liegenden Linsengliedes zusammenfällt.3. Light beam scanning system according to claim 2, characterized in that that the first optical system (8) contains two lens elements, an afocal optical Form system and are arranged so that the rear focal point of the to the side of the Light source located lens element with the front focal point of the side of the Lichtumlenkelementes (2) lying lens member coincides.
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