DE3137031C2 - Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Vergangenheit sind verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die zum Aufzeichnen oder zum Lesen von Daten einen Lichtstrahl verwenden. Bei vielen dieser bekannten Vorrichtungen wird der Lichtstrahl von einer Ablenkeinrichtung (Deflektor) abgelenkt und die abzutastende Oberfläche wird von von dem abgelenkten Strahl gebildeten Strahlpunkten abgetastet. Zur Erhöhung der Abtastleistung der Abtastvorrichtung ist es ferner bekannt, die Oberfläche mit einer Vielzahl von Strahlen gleichzeitig abzutasten. Bei diesem Typ von Abtastvorrichtung, der eine Vielzahl von Strahlen verwendet, ist es oft erforderlich, die Projektionsvergrößerung zu ändern, mit der die Lichtstrahlen auf die abzutastende Oberfläche projiziert werden. Wenn beispielsweise mit einer derartigen Abtastvorrichtung Daten auf einem photoempfindlichen Aufzeichnungsmaterial aufgezeichnet werden, ist es oft erforderlich, die Größe der aufzuzeichnenden Zeichen zu ändern. Ein Beispiel für eine derartige Abtastvorrichtung, bei der die Projektionsvergrößerung des Lichtstrahls geändert werden kann, ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 54-94053 beschrieben. Diese bekannte Abtastvorrichtung ist in den Fig. 1A und 1B gezeigt, und zwar in der Fig. 1A eine Aufsicht und in der Fig. 1B eine Seitenansicht.

Die Strahlenbündel-Quelle einer derartigen Abtastvorrichtung umfaßt eine Laserlichtquelle und ein Element zum Modulieren und Ablenken der von der Laserlichtquelle einfallenden Lichts. In diesem Modulations- bzw. Ablenkelement wird der von der Laserlichtquelle emittierte Lichtstrahl in eine Vielzahl von Strahlen(bündel) aufgeteilt, so daß die abgeteilten Strahlenbündel in das System veränderbarer Vergrößerung (Bezugszeichen 8 in der Fig. 3 dieser Druckschrift) divergierend eintreten. Bei diesem System wird die Strahlausdehnung in Richtung senkrecht zur Ablenk/Abtastebene, d. h. die Strahlausdehnung in Y-Richtung des auf die Reflexionsflächen des Polygonspiegels einfallenden Strahls mit zunehmender Projektionsvergrößerung größer. Damit ist ein großer Polygonspiegel erforderlich. Dies steht dem Bemühen nach einer hohen Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels und damit dem Bemühen nach einer Geschwindigkeitserhöhung des Abtastvorgangs entgegen. Zum Abtasten mit mehreren Strahlenbündel ist außerdem ein Modulationselement erforderlich.

Aus der DE-OS 22 50 763 ist eine Abtastvorrichtung zum Abtasten einer abzutastenden Fläche mit nur einem Strahlenbündel bekannt.

Gemäß der DE-OS 22 50 763 wird ein Strahlenbündel paralleler Lichtstrahlen, das einen Kreisquerschnitt aufweist, mittels einer ersten Zylinderlinse 20 auf der Ablenkfläche 24 einer Ablenkvorrichtung als schlitzförmiges Bild abgebildet. Nach der Reflexion an der Ablenkfläche 24 durchlaufen die Lichtstrahlen eine zweite Zylinderlinse 25, die das Strahlenbündel derart umformt, daß nach dem Durchlaufen der zweiten Zylinderlinse 25 wieder ein einen Kreisquerschnitt aufweisendes Strahlenbündel paralleler Lichtstrahlen vorliegt, das dann auf der abzutastenden Fläche fokussiert wird. Auf diese Weise ist ein Abbildungsfehler infolge einer Neigung der Ablenkfläche 24 vermeidbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abtastvorrichtung zum Abtasten einer abzutastenden Fläche gleichzeitig mit einer Vielzahl von Strahlenbündeln zu schaffen, bei der kein Ablenkelement erforderlich ist und gleichzeitig ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Polygonspiegels gewährleistet ist, sogar wenn die Vorrichtung die Funktion, die Vergrößerung zu ändern, besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1A und 1B ein Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem, das mit der Funktion, die Vergrößerung zu ändern, versehen ist, gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 eine Ansicht zur Erläuterung der Verwendung einer Lichtquelle in Form einer Anordnung als Lichtquellenelement des Abtastoptiksystems,

Fig. 4A-4C im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines anamorphotischen Vario-Linsensystems, das im erfindungsgemäßen Abtastoptiksystem verwendet wird, und

Fig. 5 die Art der Änderung der Winkelvergrößerung der kollimierten Strahlen durch das anamorphotische afokale Vario-Linsensystem.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das erfindungsgemäße Abtastoptiksystem in einem Drucker angewendet wird.

Eine Strahlenbündelquelle (im folgenden Lichtquelle genannt) in Form einer Anordnung, die allgemein mit 11 bezeichnet ist, wird von einer Mehrzahl von einzelnen Licht aussendenden Elementen 11a-11e gebildet. Die von den einzelnen Elementen ausgesandten Strahlenbündel werden von einer Kollimatorlinse 12 kollimiert. Nach dem Durchgang durch die Kollimatorlinse 12 tritt jedes Strahlenbündel in ein afokales Vario-Linsensystem 13 ein, durch das die Winkelvergrößerung des jeweiligen Strahlenbündels auf einen gewählten Wert geändert wird. 14 ist ein anamorphotisches Linsensystem und 15 eine Ablenkvorrichtung. Das anamorphotische Linsensystem 14 ist mit seiner Sammelachse parallel zu der Ebene der Ablenkabtastung mit dem Strahlenbündel durch die Ablenkvorrichtung angeordnet. 15b ist ein Antriebssystem für die Ablenkvorrichtung 15 mit einer daran befestigten Reflexionsfläche 15a. Mit 16 ist ein Abtastlinsensystem bezeichnet, das aus einer sphärischen Linse 16a und einer torusförmigen Linse 16b besteht. 17 ist eine photoempfindliche Trommelfläche, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die abzutastende Oberfläche ist. In einer Ebene, die die Ablenk/Abtastebene unter rechten Winkeln schneidet, ist die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 17 optisch mit der Reflexionsfläche 15a der Ablenkvorrichtung 15 konjugiert.

Wenn der Abstand zwischen benachbarten Licht aussendenden Punkten der Lichtquelle in Form einer Anordnung ausreichend klein ist, oder wenn die Größe des Zeichens oder des Bildes, das aufgezeichnet werden soll, passend hierfür ist, können die einzelnen Licht aussendenden Elemente der Anordnung, die die Lichtquelle bildet, in einer Ebene angeordnet sein, die die Ablenk/Abtastebene unter rechten Winkeln schneidet (s. Fig. 2). Die von der Anordnungs-Lichtquelle ausgesandten Strahlenbündel werden von der Kollimatorlinse 12 kollimiert und treten dann in das afokale Vario-Linsensystem 13 ein, das für den gewünschten Austrittswinkel und den gewünschten Strahldurchmesser der kollimierten Strahlenbündel sorgt. Diese Strahlenbündel werden linear auf der Reflexionsfläche 15a der Ablenkvorrichtung 15 fokussiert. Die Richtung dieser linearen Bilder auf der Reflexionsfläche ist parallel zu der Ablenk/Abtastfläche, die die von der Ablenkvorrichtung im Verlauf der Zeit abgelenkten Strahlenbündel bilden. Die durch die Reflexionsfläche 15a abgelenkten Strahlenbündel werden durch das anamorphotische Abtastlinsensystem 16 auf der photoempfindlichen Trommelfläche fokussiert.

Im allgemeinen ist eine Lichtquelle in Form einer Anordnung schwierig herzustellen, und gegenwärtig ist es unmöglich, eine hochintegrierte Lichtquelle in Form einer Anordnung zu erhalten. Wenn die Anordnung der Lichtquellenelemente senkrecht zu der Ablenk/Abtastebene angeordnet ist (Fig. 2), und man die Fokusvergrößerung des im Abtastoptiksystem verwendeten optischen Systems betrachtet, wird der Abstand zwischen benachbarten Abtastzeilen auf der Abtastfläche zu groß, als daß er akzeptabel wäre. Zur Lösung dieses Problems wird die Lichtquelle in Form einer Anordnung gewöhnlich um einen bestimmten Winkel Φ zur Ablenk/Abtastebene geneigt angeordnet, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Bei Verwendung einer Lichtquelle mit einer derartigen Anordnungsform ist die Richtung der Anordnung der Licht aussendenden Elemente um einen Winkel Φ relativ zur Ablenk/Abtastebene geneigt. In Fig. 3 sind 11a und 11b benachbarte Licht aussendende Elemente. Die Ablenk/Abtastebene ist mit P-P′ bezeichnet. Da die Richtung der Anordnung der Licht aussendenden Elemente um den Winkel Φ relativ zu der Ablenk/Abtastebene P-P′ geneigt ist, ist der scheinbare Abstand zwischen zwei Licht aussendenden Elementen 11a und 11b gegeben durch:

Po = 1 sinΦ

Offensichtlich ist der scheinbare Abstand Po kürzer als der tatsächliche Abstand. Auf diese Weise kann durch Neigen der Richtung der Anordnung der Abstand zwischen benachbarten Lichtpunkten "1", der tatsächlich in der Anordnung vorgegeben ist, auf einen Wert Po, der kleiner als 1 ist, verringert werden. Wenn im erfindungsgemäßen Abtastoptiksystem eine derartige Lichtquelle in Form einer Anordnung verwendet wird, die geneigt angeordnet ist, dehnen sich die Strahlenbündel auf der Reflexionsfläche 15a der Ablenkvorrichtung in Richtung der Ablenkabtastung. In dem Fall, daß das afokale Vario-Linsensystem 13 aus einem sphärischen Linsensystem besteht, wird die Ausdehnung der Lichtstrahlen mit zunehmender Winkelvergrößerung des afokalen Vario-Linsensystems größer. Dieser Ausdehnung der Strahlenbündel muß durch geeignete Mittel entgegengewirkt werden. Ansonsten benötigt die Ablenkvorrichtung eine größere Reflexionsfläche. Erfindungsgemäß wird dies durch die Verwendung eines anamorphotischen afokalen Vario-Linsensystems 13 erreicht, das keine Brechkraft in einer bestimmten Richtung hat. Verfährt man so, ist es möglich, eine kleine Reflexionsfläche zu verwenden, sogar wenn die Vergrößerung geändert wird, wobei eine geneigte Anordnung von Lichtquellen, wie vorstehend beschrieben, verwendet wird. Das in diesem Fall verwendete anamorphotische afokale Vario-Linsensystem 13 hat eine Brechkraft lediglich in einer Ebene senkrecht zu der Ablenk/Abtastebene, so daß es den Teilungsabstand zwischen Abtastzeilen auf der Abtastfläche ändert, jedoch keine Wirkung auf die Änderung der Vergrößerung in Richtung der Abtastzeile hat. Deshalb bleibt auf der Reflexionsfläche 15a der Ablenkvorrichtung die Ausdehnung des Strahlpunktes unabhängig von der Änderung der Vergrößerung konstant.

Die Fig. 4A-4C zeigen ein Ausführungsbeispiel eines anamorphotischen afokalen Vario-Linsensystems. Das Linsensystem besteht aus drei Linsengruppen, von denen die erste Gruppe stationär und die zweite bewegbar ist. Die Fig. 4A, 4B und 4C sind Querschnitte durch das Linsensystem in einer Ebene, die die Ablenk/Abtastebene unter einem rechten Winkel schneidet; zu Erläuterungszwecken ist der optische Weg zweier Strahlenbündel gezeigt. In der in Fig. 4A gezeigten Stellung fallen die beiden Strahlenbündel unter einem Winkel R mit der optischen Achse ein und treten aus dem Linsensystem unter einem Winkel R′=R/3 aus. In der in Fig. 4B gezeigten Stellung fallen die beiden Strahlenbündel unter dem selben Winkel R mit der optischen Achse in das Linsensystem ein und treten mit dem Winkel R=R/6 aus. In der in Fig. 4C gezeigten Stellung treten die beiden Strahlenbündel aus dem Linsensystem mit dem Winkel R′=R/9 aus.

Fig. 5 erläutert die Wirkung eines derartigen anamorphotischen Linsensystems, wie es in den Fig. 4A-4C gezeigt ist.

In Fig. 5 bezeichnet 21 das afokale anamorphotische Vario-Linsensystem; a und b sind zwei Strahlenbündel, die von der Kollimatorlinse kommen und in das Linsensystem 21 einfallen. R ist der Winkel, den die beiden Strahlenbündel bilden, bevor sie in das Linsensystem 21 einfallen; R′ ist der Winkel, den sie nach dem Austritt aus dem Linsensystem bilden. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, hat das anamorphotische afokale Vario-Linsensystem 21 die Wirkung, den Winkel R zwischen den beiden Strahlenbündeln a und b in den Winkel R′ zu verwandeln. Nach dem anamorphotischen, afokalen Vario-Linsensystem 21 ist ein Ablenkelement 15 angeordnet, das in Fig. 5 zum Zwecke der Vereinfachung weggelassen ist.

Wenn diese beiden Strahlenbündel aus dem Linsensystem 21 mit einem Winkel R′ zwischen ihnen austreten und auf das Abtastlinsensystem 16 gerichtet werden, werden zwei Strahlpunkte (Flecken) Sa und Sb auf der Brennebene des Abtastlinsensystems 16 gebildet. Wenn P der Abstand zwischen den beiden Punkten Sa und Sb und f die Brennweite des Abtastlinsensystems 16 in der Richtung senkrecht zur Ablenk/Abtastebene ist, gilt

P = fR′ = rfR (1)

wobei r die Winkelvergrößerung des anamorphotischen Vario-Linsensystems 21 ist: r≡R′/R

Die Winkelvergrößerung r ist der Parameter, durch den die Größe des aufgezeichneten Bildes bestimmt wird. Der Wert r kann durch Bewegen der zweiten Gruppe der drei Linsengruppen, die das Linsensystem 21 bilden, bestimmt werden.

Das Linsensystem 21 hat die Wirkung, die Winkelvergrößerung zu ändern. Gleichzeitig mit der Änderung der Winkelvergrößerung ändert sich automatisch der Durchmesser des Austrittsstrahlenbündels. Wenn Φ der Durchmesser des auf das Linsensystem 21 einfallenden Strahlenbündels und R′ der des Austrittsstrahlenbündels ist, gilt:

r = R/R′ (2)

Wenn ferner Rs die Punktgröße der fokussierten Flecken Sa oder Sb (Fig. 5) sei, die sich bei einem Eintrittsstrahlenbündel mit einem Durchmesser R′ am Abtastlinsensystem 16 ergibt, so erhält man:

Rs = K/R′ (K: const) (3)

und aus den Gleichungen (2) und (3):

Rs = K′r (K′ = K/R: const) (4)

Diese Gleichung sagt, daß die Punktgröße proportional zur Winkelvergrößerung des Linsensystems 21 ist. Die Änderung des Punktdurchmessers wird gleichzeitig mit der Änderung der Größe des aufgezeichneten Bildes ausgeführt.

Die vorstehende Beschreibung ist für ein anamorphotisches afokales Vario-Linsensystem erfolgt: es ist selbstverständlich, das die vorstehenden Ausführungen auch für den Fall gelten, daß das afokale Vario-Linsensystem 13 ein sphärisches System ist.

Zur weiteren Erläuterung des afokalen anamorphotischen Vario-Linsensystems 21, das in Fig. 4 gezeigt ist, dienen die folgenden Beispiele. Natürlich sind die in den Beispielen angegebenen Werte auch auf ein sphärisches Linsensystem anwendbar, um das entsprechende afokale Vario-Linsensystem zu erhalten.

In den folgenden Beispielen ist ri immer der Krümmungsradius der i-ten Fläche, di die Linsendicke oder der Luftabstand zwischen der i-ten und der (i+1)ten Fläche, n der Brechungsindex des Glasmaterials für die Wellenlänge 0,85 µm und n′ für die Wellenlänge 0,6328 µm; νd ist die Abbe′sche Zahl des Glasmaterials.

Beispiel 1

Beispiel 2

Beispiel 3

Beispiel 4

Beispiel 5

Die Werte des variablen Luftabstandes (auf der Achse) sind wie folgt:

Beim erfindungsgemäßen Abtastoptiksystem wird die Vergrößerung in Abtastrichtung einer Abtastzeile durch eine elektrische Einrichtung, die das Modulationssignal ändert, oder durch eine mechanische Einrichtung, die die Drehgeschwindigkeit der Ablenk/Abtastfläche ändert, unabhängig davon gesteuert, ob als Linsensystem zur Änderung der Vergrößerung ein afokales Vario-Linsensystem oder ein anamorphotisches afokales Vario-Linsensystem verwendet wird.

Ferner sollte hinsichtlich des anamorphotischen Abtastlinsensystems beachtet werden:

Wenn das Vario-Linsensystem ein afokales Vario-Linsensystem mit einem sphärischen System ist, sollte das anamorphotische Abtastlinsensystem 16 eine derartige Brennweite innerhalb der Ablenk/Abtastebene haben, daß die Strahlkomponente parallel zur Ablenk/Abtastebene auf der Oberfläche, die abgetastet werden soll, in Zusammenwirken mit dem afokalen Vario-Linsensystem fokussiert wird.

Wenn das Vario-Linsensystem ein afokales anamorphotisches Vario-Linsensytem ist, sollte das Abtastlinsensystem 16 eine derartige Brennweite haben, daß die kollimierten Strahlenbündel auf der Abtastfläche fokussiert werden.

Claims (6)

1. Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem mit veränderbarer Vergrößerungsfunktion, mit
einer Strahlenbündelquelle (11), die mehrere kollimierte Strahlenbündel erzeugt;
einer bewegbaren Ablenkvorrichtung (15) mit mindestens einer Reflexionsfläche (15a), um die Strahlenbündel von der Strahlenbündelquelle (11) in einer Ablenkebene abzulenken;
einem Abtastlinsensystem (16), das zwischen der Ablenkvorrichtung (15) und einer abzutastenden Oberfläche angeordnet ist und das die Strahlenbündel als Punkt auf die abzutastende Oberfläche fokussiert; und
einem afokalen Vario-Linsensystem (13; 21), das auf der optischen Achse zwischen der Strahlenbündelquelle (11) und der Ablenkvorrichtung (15) angeordnet ist und das eine Änderung der Abbildungvergrößerung bewirkt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das afokale Vario-Linsensystem (13; 21) derart anamorphotisch ausgebildet ist, daß es die Abbildungsvergrößerung nur in einer Ebene, die senkrecht zur Ablenkebene verläuft, ändert,
daß zwischen dem afokalen Vario-Linsensystem (13; 21) und der Ablenkvorrichtung (15) ein anamorphotisches Linsensystem (14) angeordnet ist, daß die Strahlenbündel als linienförmiges Bild, das sich in der Ablenkebene erstreckt auf der Reflexionsfläche (15a) fokussiert, und
daß das Abtastlinsensystem (16) ein anamorphotisches Linsensystem ist.

2. Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenbündelquelle (11) eine Anordnung von mehreren Lichtquellen (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) ist.

3. Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung von mehreren Lichtquellen (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) unter einem Winkel R zur Ablenkebene geneigt angeordnet ist.

4. Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlenbündelquelle (11) und dem afokalen Vario-Linsensystem (13; 21) eine Kollimatorlinse (12) angeordnet ist, die die Strahlenbündel von der Strahlenbündelquelle (11) kollimiert.

5. Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das afokale Vario-Linsensystem (13; 21) eine erste unbewegliche Linsengruppe, bestehend aus einer unsymmetrischen bikonvexen Linse sowie einer konvex-konkaven Linse mit sammelnder Wirkung und eine zweite bewegliche Linsengruppe, bestehend aus einer unsymmetrischen bikonkaven Linse sowie einer unsymmetrischen bikonvexen Linse umfaßt, und die zweite Linsengruppe eine verschiebbare Zerstreuungslinse und eine verschiebbare Sammellinse aufweist, wobei die Zerstreuungslinse zwischen der ersten Linsengruppe und der bewegbaren Sammellinse angeordnet ist.

6. Mehrfachstrahlenbündel-Abtastoptiksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastlinsensystem (16) eine sphärische Einzellinse (16a) und eine torische Einzellinse (16b) aufweist, die in dieser Reihenfolge von der Seite der Ablenkvorrichtung (15) aus betrachtet, angeordnet sind.