DE19820674C2

DE19820674C2 - Strahlenscanvorrichtung

Info

Publication number: DE19820674C2
Application number: DE19820674A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Mochizuki
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2018-05-09
Also published as: JP3536962B2; DE19820674A1; JPH10307270A; US5930020A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft eine Strahlenscanvorrichtung, die mehrere Strahlen handhabt.

STAND DER TECHNIK

In einer Strahlenscanvorrichtung, die in einer bildgebenden Einrichtung verwendet wird, wie zum Beispiel einem Laserdrucker, wird ein Scanvorgang mit einer Vielzahl von Strahlen durchgeführt, um Druckgeschwindigkeit und Auflösungsdichte der Einrichtung zu erhöhen. In der japanischen Patentanmeldung (OPI) Nr. 142316/1988 (der Ausdruck "OPI", wie hier benutzt, bedeutet "ungeprüft veröffentlichte Anmeldung") wird eine arrayförmige Lichtquelle als Erzeugungsmittel für eine Vielzahl von Strahlen verwendet, ein Scanvorgang wird mit einer Vielzahl von Strahlen durchgeführt, und eine Vielzahl von Lichtquellen sind rechtwinklig zur Scanrichtung angeordnet. In der japanischen Patentanmeldung mit Veröffentlichungs-Nr. 10805/1989 sind eine Vielzahl von Lichtquellen im wesentlichen parallel zur Scanrichtung angeordnet, so daß die sich ergebende Pupillenfläche der Kollimatorlinse und die Reflexionsflächen des rotierenden Polygonspiegels konjugiert sind.

Eine Strahlenscanvorrichtung, in der eine Vielzahl von Lichtquellen rechtwinklig zu der Scanrichtung angeordnet sind, ist mit den folgenden Schwierigkeiten behaftet, wenn es erforderlich ist, die Druckgeschwindigkeit und die Auflösungsdichte zu erhöhen:

a) Da eine Vielzahl von Strahlen im wesentlichen gleichzeitig auf einen Fotosynchrondetektor aufgebracht werden, ist es unmöglich, die Strahlen individuell zu steuern. Folglich ist es schwierig, die Versetzung der Scanbeginnpositionen der Strahlenvielzahl zu korrigieren, die zu Herstellungsfehlern der arrayförmigen Lichtquelle und der Veränderung der Befestigungsposition im Verlauf der Zeit beitragen.
b) Aufgrund eines Herstellungsprogramms der arrayförmigen Lichtquelle ist die Verringerung der Entfernungen zwischen den Lichtquellen begrenzt. Folglich kann ein benachbarter Scan nicht auf der Fläche durchgeführt werden, die mit den Strahlen gescannnt wird; das bedeutet, daß ein Interlace (streifenförmiger Scan) durchgeführt wird. Entsprechend müssen die Lichtquellen in ihrer Position von der optischen Achse der Scanlinse erheblich versetzt werden, wenn die Vielzahl der Lichtquellen angeordnet wird, was Abbildungsfehler (Aberration) verstärkt.
Eine Strahlenscanvorrichtung, in der eine Vielzahl von Lichtquellen im wesentlichen parallel zur Scanrichtung angeordnet sind, und die sich ergebende Pupillenfläche der Kollimatorlinse und die Reflexionsflächen der rotierenden Polygonspiegel konjugiert sind, weist die folgenden Schwierigkeiten auf, wenn es erforderlich ist, die Druckgeschwindigkeit und die Auflösungsdichte zu erhöhen:
c) Lichtmengenverteilungen einer Vielzahl von Strahlen auf einer gescannten Oberfläche unterscheiden sich, wie in Fig. 13 gezeigt. Folglich ist in diesem Fall der wirksame Scanbereich kleiner als der in dem Fall, in dem lediglich ein Strahl verwendet wird. Um den wirksamen Scanbereich zu erhöhen, muß der rotierende Polygonspiegel vergrößert werden, was seine hohe Drehgeschwindigkeit nachteilig beeinflußt.

Die DE 33 14 402 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Abtasten einer Vielzahl von Lichtstrahlen mit zwei bilderzeugenden optischen Systemen, einer Lichtquelleneinheit und einer Ablenkeinrichtung, wobei das zweite bilderzeugende optische System den Brennpunkt des ersten bilderzeugenden optischen Systems und die Abtast-Reflexionsfläche der Ablenkeinrichtung in einer im wesentlichen optisch pupillen-konjugierten Beziehung hält.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme des Standes der Technik zu lösen, und es ist folglich Aufgabe der Erfindung, eine Strahlenscanvorrichtung bereitzustellen, die die Druckgeschwindigkeit und die Auflösungsdichte erhöht.

Die vorgenannte Aufgabe der Erfindung wurde durch das Vorsehen einer Strahlenscanvorrichtung gelöst, die umfaßt:
eine Lichtquelle, die mehrere Strahlen aussendet, die eine Scanebene definieren;
einen rotierenden Polygonspiegel, mit dem eine Oberfläche mit einer Vielzahl von Strahlen scanbar ist; und eine Scanlinse; wobei die Vielzahl von Strahlen auf eine Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels - in der Scanebene gesehen - unter Bilden von Winkeln zueinander aufgebracht sind; wobei sich Entfernungen zwischen der Vielzahl von Strahlen - in der Scanebene gesehen - verringern, während die Strahlen sich der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels annähern; und wobei eine Entfernung zwischen dem Schnittpunkt der Vielzahl von Strahlen in der Scanebene und der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben wird:

L = (r/2) cos (ϕ/2) (1),

wobei r der Radius des Umkreises des rotierenden Polygonspiegels, und ϕ der Winkel zwischen der optischen Achse der Scanlinse und der Mittellinie der Strahlen ist.

Dies bedeutet, daß in der Erfindung die Position der Oberfläche optimiert ist, die mit der sich ergebenden Pupille der Kollimatorlinse konjugiert ist, so daß selbst in dem Fall, in dem eine Vielzahl von Lichtquellen im wesentlichen parallel zur Scanrichtung angeordnet sind, es nicht notwendig ist, die Größe des rotierenden Polygonspiegels zu erhöhen, wenn dies mit dem Fall verglichen wird, in dem ein einzelner Strahl angewendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein erklärendes Diagramm, das die Anordnung eines Beispiels einer Strahlenscanvorrichtung umreißt, die eine Ausführungsform der Erfindung bildet;

Fig. 2 und 3 sind erklärende Diagramme, die die Anordnung von vergleichenden Beispielen der Strahlenscanvorrichtung umreißen;

Fig. 4 ist ein erklärendes Diagramm, das einen Zustand in der Nähe der Mitte eines Scans in der Strahlenscanvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 5 ist ein erklärendes Diagramm, das einen Zustand der Scanbeginnseite in der Strahlenscanvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 6 ist ein erklärendes Diagramm, das einen Zustand der Scanbeginnseite in der Strahlenscanvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 7 ist ein erklärendes Diagramm, das einen Zustand der Scanendseite in der Strahlenscanvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 8 ist ein erklärendes Diagramm, das einen Zustand der Scanendseite in der Strahlenscanvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 9 ist ein erklärendes Diagramm, das einen Zustand der Scanbeginnseite in der Strahlenscanvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 10 ist ein erklärendes Diagramm, das einen Zustand der Scanendseite in der Strahlenscanvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 11 ist ein erklärendes Diagramm, das die Anordnung eines weiteren Beispiels der Strahlenscanvorrichtung umreißt, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung bildet;

Fig. 12 ist ein erklärendes Diagramm, das die Anordnung eines weiteren Beispiels der Strahlenscanvorrichtung umreißt, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung bildet; und

Fig. 13 ist ein erklärendes Diagramm, das eine Lichtemengenverteilung auf einer zu scannenden Fläche in einer konventionellen Strahlenscanvorrichtung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.

Fig. 2 und 3 zeigen ein Beispiel einer Strahlenscanvorrichtung, eine Ausführungsform der Erfindung, in dem die sich ergebende Pupillenfläche einer Kollimatorlinse und die Reflexionsflächen eines rotierenden Polygonspiegels konjugiert sind. In den Fig. 2 und 3 bezeichnet das Bezugszeichen 31 eine arrayförmige Lichtquelle; 2 eine Kollimatorlinse, 3 eine erste Relaislinse; 4 eine zweite Relaislinse; 5 eine Scanlinse; 6 einen rotierenden Polygonspiegel; 7 eine fotosensitive Walze; 11 einen ersten Strahl; 22 einen zweiten Strahl; 51 die sich ergebende Pupillenfläche der Kollimatorlinse; und 55 die optische Achse der Scanlinse 5.

Der erste Strahl 11 und der zweite Strahl 22, die von der arrayförmigen Lichtquelle 1 ausgesendet werden, treffen einander auf der sich ergebenden Pupillenfläche 51 der Kollimatorlinse. Hiernach dringen diese Strahlen durch die erste Relaislinse 3 und die zweite Relaislinse 4 und treffen einander auf der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels 6, die mit der sich ergebenden Pupillenfläche der Kollimatorlinse konjugiert ist. Der erste Strahl 11 und der zweite Strahl 22 werden unter Bilden eines Winkels in der Scanebene aufgebracht, und nachdem sie durch den rotierenden Polygonspiegel 6 reflektiert werden, unter Bilden eines Winkels zueinander auf die Scanlinse 5 aufgebracht, und sind folglich in unterschiedlichen Positionen auf der fotosensitiven Walze 7 bildgebend.

Fig. 2 zeigt die Beginngrenze des wirksamen Scanbereichs, während Fig. 3 die Endgrenze des wirksamen Scanbereichs zeigt. In Fig. 2 bezeichnet bezüglich der optischen Achse 55 das Bezugszeichen W1b den wirksamen Bereich des ersten Strahls 11 auf der Scanbeginnseite; und W2b den wirksamen Bereich des zweiten Strahls 22 auf der Scanbeginnseite. In Fig. 3 bezeichnet bezüglich der optischen Achse 55 das Bezugszeichen W1e den wirksamen Bereich des ersten Strahls 11 auf der Scanendseite; und W2e den wirksamen Bereich des zweiten Strahls 22 auf der Scanendseite. Folglich wird der Scanbereich W, in dem jeder der ersten und zweiten Strahlen 11 und 22 wirksam ist, durch die folgende Gleichung (2) wiedergegeben:

W = W1b + W2e (2)

Fig. 4 bis 8 zeigen den Fall, in dem die Oberfläche optimiert ist, die mit der sich ergebenden Pupillenfläche der Kollimatorlinse konjugiert ist.

In Fig. 4 sind Bezugszeichen 52 und 53 Flächen, die mit der sich ergebenden Pupillenfläche der Kollimatorlinse konjugiert und von der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels 6 versetzt sind. Der erste Strahl 11 und der zweite Strahl 22, die von der arrayförmigen Lichtquelle 1 ausgesendet werden, treffen einander auf der sich ergebenden Pupillenfläche 51 der Kollimatorlinse und dringen hiernach durch die erste Relaislinse 3 und die zweite Relaislinse 4 und schreiten derart fort, daß sie einander auf der Oberfläche 52 treffen, die mit der sich ergebenden Pupillenfläche 51 der Kollimatorlinse konjugiert ist. In der Praxis treffen sie einander, reflektiert durch den rotierenden Polygonspiegel 6, auf der Oberfläche 53, die mit der sich ergebenden Pupillenfläche 51 der Kollimatorlinse konjugiert ist. In anderen Worten wird die Entfernung zwischen dem ersten Strahl 11 und dem zweiten Strahl 22 verringert, während sie sich der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels 6 annähern; sie werden jedoch nicht auf der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels miteinander zum Berührpunkt gebracht.

Fig. 5 zeigt die Beginngrenze des wirksamen Scanbereichs des ersten Strahls 11; Fig. 6 zeigt die Beginngrenze des wirksamen Scanbereichs des zweiten Strahls 22; Fig. 7 zeigt die Endgrenze des wirksamen Scanbereichs des ersten Strahls 11; und Fig. 8 zeigt die Endgrenze des wirksamen Scanbereichs des zweiten Strahls 22. In diesen Figuren bezeichnet bezüglich der optischen Achse 55 das Bezugszeichen W1b' den wirksamen Bereich des ersten Strahls 11 auf der Scanbeginnseite; W2b' den wirksamen Bereich des zweiten Strahls 22 auf der Scanbeginnseite; W1e' den wirksamen Bereich des ersten Strahls 11 auf der Scanendseite; und W2e' den wirksamen Bereich des zweiten Strahls 22 auf der Scanendseite. Durch Optimieren der Position der Fläche, die mit der sich ergebenden Pupillenfläche der Kollimatorlinse konjugiert ist, werden die folgenden Gleichungen (3) und (4) erhalten:

W1b' = W2b' ∼ Wb' (3)

W1e' = W2e' ∼ We' (4)

Folglich wird der wirksame Scanbereich W' durch folgende Gleichung (5) wiedergegeben:

W' = Wb' + We' (5)

Und W' ist größer als W.

W' < W (6)

Als nächstes wird die am meisten geeignete Position der Fläche erhalten, die mit der sich ergebenden Pupillenfläche der Kollimatorlinse konjugiert ist.

Fig. 9 zeigt die Scanbeginngrenze, und Fig. 10 die Scanendgrenze. In Fig. 9 und 10 bezeichnet das Bezugszeichen 54 die Mittellinie des ersten Strahls 11 und des zweiten Strahls 22; 55 die optische Achse der Scanlinse; 56 eine Fläche, die durch den Schnitt der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels 6 und der Mittellinie 54 dringt, und zur letzteren 54 rechtwinklig ist; und 57 eine Ebene, die in Berührung mit dem Umkreis des rotierenden Polygonspiegels 6 auf der Mittellinie 54 steht. Weiterhin bezeichnet in diesen Figuren das Bezugszeichen ξ den Winkel, den der erste Strahl 11 und der zweite Strahl 22 bezüglich der Mittellinie 54 bilden; ϕ den Winkel, der durch die optische Achse 55 und die Mittellinie 54 gebildet wird; θ den Scanwinkel auf einer Seite bezüglich der optischen Achse 55; ζ (ζ_b, ζ_e) einen Winkel zwischen einer Fläche 56 und einer Fläche 57; r den Radius des Umkreises des rotierenden Polygonspiegels 6; n die Anzahl von Flächen auf dem rotierenden Polygonspiegel 6; d die Entfernung zwischen dem ersten Strahl 11 und dem zweiten Strahl 22 in der Fläche 56; und L die Entfernung zwischen der Fläche 56 und dem Schnitt der Verlängerungen des ersten Strahls 11 und des zweiten Strahls 22.

Zur Vereinfachung der Beschreibung werden die Strahldurchmesser des ersten Strahls 11 und des zweiten Strahls 22 und die Bewegung der Reflexionsfläche, die auftritt, wenn sich der rotierende Polygonspiegel dreht, vernachlässigt werden. In der Praxis liegen der erste Strahl 11 und der zweite Strahl 22 nicht auf ein und derselben Ebene und schreiten fort, während sie sich in einer Richtung rechtwinklig zur Scanebene versetzen; dies wird jedoch vernachlässigt werden und es wird eine Analyse durchgeführt werden, bei der die ersten und zweiten Strahlen auf eine einzelne Scanebene projiziert sind. Des weiteren wird es angenommen, daß ξ sehr klein ist; das heißt: tan ξ = ξ.

In Anbetracht der Tatsache, daß der Drehwinkel des rotierenden Polygonspiegels, der den ersten Strahl 11 und den zweiten Strahl 22 parallelisiert, nachdem sie durch den rotierenden Polygonspiegel 6 reflektiert wurden, ξ ist, werden die folgenden Gleichungen (7) und (8) aus den Figuren erhalten:

d = L 2ξ (7)

d = r ξ cos ζ (8)

Andererseits verändert sich ζ monoton von der Scanbeginngrenze zur Scanendgrenze. Wenn es angenommen wird, daß er ζb bei der Scanbeginngrenze und ζe bei der Scanendgrenze ist, werden die folgenden Gleichungen (9) und (10) aus den Figuren erhalten:

ζb = (ϕ - θ)/2 + (π/n) (9)

ζe = (ϕ + θ)/2 - (π/n) (10)

Der Mittelwert dieser Daten ist wie folgt:

ζ = (ζb + ζe)/2 = ϕ/2 (11)

Wenn d und ζ gekürzt und die Gleichungen umgestellt werden, wird die Gleichung (1) erhalten:

L = (r/2) cos (ϕ/2) (1)

Fig. 1 ist ein Diagramm, das die grundsätzliche Anordnung der Strahlenscanvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein zweielementiges Halbleiterlaserarray; 2 eine Kollimatorlinse; 3 eine erste Linse; 4 eine zweite Linse; 5 einen Scanspiegel; 6 einen rotierenden Polygonspiegel; 7 eine fotosensitive Walze; 8 einen Fotosynchrondetektor; 9 einen Fotodetektorspiegel; 11 einen ersten Strahl; 22 einen zweiten Strahl; 51 die sich ergebende Pupillenfläche der Kollimatorlinse; und 52 und 53 die Flächen, die mit der sich ergebenden Pupillenfläche der Kollimatorlinse konjugiert sind.

Es wird angenommen, daß die Entfernung zwischen zwei lichterzeugenden Punkten des zweielementigen Halbleiterlaserarrays durch δ_LD wiedergegeben wird, die Brennweiten der Kollimatorlinse, der ersten Linse und der zweiten Linse jeweils durch f_CL, f_RL1 und f_RL2 wiedergegeben werden. Des weiteren wird angenommen, daß die Entfernung zwischen dem zweielementigen Halbleiterlaserarray und der Kollimatorlinse durch d1, die Entfernung zwischen der Kollimatorlinse und der ersten Relaislinse durch d2, die Entfernung zwischen der ersten Relaislinse und der zweiten Relaislinse durch d3 und die Entfernung zwischen der zweiten Relaislinse und der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels durch d4 wiedergegeben werden. Darüber hinaus sind δ, θ, ζ, r, n und L wie oben beschrieben. Jede Linse ist eine dünne Linse und der primäre Punktabstand oder der Punktabstand der Hauptebenen kann vernachlässigt werden.
δ_LD = 0,2 mm
f_CL = 6 mm
f_RL1 = 30 mm
f_RL2 = 50 mm
d1 = 6 mm
d2 = 36 mm
d3 = 80 mm
d4 = 38,84 mm
ϕ = (1/3)π rad
θ = (1/6)π rad
r = 35 mm
n = 8
L = 15,16 mm

Fig. 11 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Strahlenscanvorrichtung zeigt, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung bildet. In Fig. 11 bezeichnen die Bezugszeichen 31 und 32 einen Halbleiterlaser; 41 ein /2-Verzögerungsplättchen; 42 einen Polarisationsstrahlzerleger.

Fig. 12 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Strahlenscanvorrichtung zeigt, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung bildet. In Fig. 12 bezeichnet das Bezugszeichen 35 einen Gaslaser, und 44 ein Beugungsgitter.

Wie zuvor beschrieben wurde, werden in der Erfindung die Entfernungen zwischen einer Vielzahl von Strahlen in der Scanebene verringert, während sich die Strahlen der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels annähern, und die Entfernung zwischen dem Schnitt der Strahlen in der Scanebene und der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels ist optimiert. Folglich trägt die Strahlenscanvorrichtung ohne eine Erhöhung der Größe des rotierenden Polygonspiegels zu einer Erhöhung von sowohl der Druckgeschwindigkeit als auch der Auflösungsdichte bei.

Claims

1. Strahlenscanvorrichtung, mit:
einer Lichtquelle (31), die eine Vielzahl von Strahlen (11, 22) aussendet, die eine Scanebene definieren;
einem rotierenden Polygonspiegel (6), der die Vielzahl von Strahlen (11, 22) auf eine zu scannende Oberfläche reflektiert,
einer Scanlinse (5), die zwischen dem Polygonspiegel (6) und der zu scannenden Oberfläche angeordnet ist;
wobei die Vielzahl von Strahlen auf eine Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels (6) konvergierend, wobei sich die Entfernung zwischen einem ersten Strahl (11) und einem zweiten Strahl (22) mit ihrer Annäherung an die Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels (6) verringert, - auf die Reflexionsfläche des Polygonspiegels (6) auftreffen, und
wobei der Abstand (L) zwischen dem hinter der Reflexionsfläche des Polygonspiegels (6) liegenden Schnittpunkt der Vielzahl von Strahlen (11, 22) und der Reflexionsfläche des rotierenden Polygonspiegels (6) durch

L = (r/2) cos (ϕ/2),
gegeben ist,
wobei r der Radius des Umkreises des rotierenden Polygonspiegels, und ϕ der Winkel zwischen der optischen Achse (55) der Scanlinse (5) und der Mittellinie (54) der Vielzahl von Strahlen (11, 22) ist.