DE3151221C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Objektiv zur Abtastung einer Fläche mit konstanter Geschwindigkeit gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein mit einem solchen Abtastobjektiv ausgerüstetes Abtastgerät. Hauptanwendungsform dieses Abtastobjektivs und Abtastgerätes sind Informationsverarbeitungs- Endgeräte zum Aufzeichnen oder zum Lesen von Bildinformationen wie beispielsweise ein Laser-COM-Drucker.

In Fig. 1 der Zeichnung ist perspektivisch ein Laser-COM- Drucker, der ein Ausführungsbeispiel eines Abtastgerätes darstellt, als Anwendungsbeispiel für ein Objektiv zur Abtastung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit gezeigt. In Fig. 1 tritt ein von einem Laseroszillator 1 als Lichtquelle erzeugter Laserstrahl in einen Lichtmodulator 2 ein. Der der Modulation durch den Lichtmodulator mit dem aufzuzeichnenden Informationssignal unterworfene Strahl hat einen mittels eines Strahlaufweiters 3 aufgeweiteten Durchmesser. Hierbei bleibt er ein Parallelstrahlenbündel und tritt in eine Lichtablenkeinrichtung in Form eines Polygonspiegels 4 ein. Der Strahl wird mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit mittels der Lichtablenkeinrichtung abgelenkt. Der abgelenkte Strahl wird mit einem Abtastobjektiv 5 auf einem Aufzeichnungsmaterial 6 (beispielsweise ein empfindlicher Film) abgebildet.

Bei einem herkömmlichen fotografischen Objektiv ist die Bildhöhe y proportional zur Tangente des Einfallwinkels R. Dies bedeutet, daß, wenn ein Objektiv mit y=f tan R (F ist die Brennweite des Objektivs) als Abtastobjektiv verwendet wird, dy/dR=sec²R ist und unter der Annahme konstanter Winkelgeschwindigkeit der Ablenkung der Strahlfleck in der Bildebene sich nicht mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegt. Wenn nicht dagegen halb ein Objektiv, bei dem der Einfallswinkel proportional zur Bildhöhe ist, d. h. ein Objektiv mit der Charakteristik y= f · R (sog. f-R-Objektiv) als Abtastobjektiv verwendet wird, so daß dy/dR=f ist, und außerdem der Strahl mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit durch den sich drehenden Polygonspiegel abgelenkt wird, so bewegt sich der Strahlfleck auf dem Aufzeichnungsmaterial mit gleichförmiger Geschwindigkeit.

Als ein f-R-Objektiv für ein bekanntes Abtastgerät ist ein Objektiv in der US-PS 40 56 307 beschrieben; ein Linsenschnitt dieses Objektivs ist in Fig. 2 gezeigt.

In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 2 eine Pupille, die aus einem Reflektor, beispielsweise einem sich drehenden Polygonspiegel besteht. Die Bezugszeichen 2 bis 7 bezeichnen Zylinderlinsen, von denen jede eine Brechkraft in einer Ebene parallel zur Abtastrichtung (der zur Zeichenebene parallelen Richtung) hat; das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Zylinderlinse mit einer Brechkraft in einer Ebene senkrecht zur Abtasteinrichtung und das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Bildebene, nämlich die abgetastete Fläche. Ferner ist ein bei einem anderen Abtastgerät verwendetes f-R-Objektiv in "Three Optimized Designs for Flat Field Scanning Lenses" von R. E. Hopkins, S. 100-114, in SPIE, Band 84, Laser Scanning Components & Techniques (1976), beschrieben. Ein Schnittbild dieses Objektivs ist in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 bezeichnet 10 eine Pupille, 11 bis 14 sphärische Linsen und 15 eine Bildebene. Dabei ist die Linse 11 eine negative, bikonkave Linse, die eine erste Linsengruppe bildet. Eine zweite Linsengruppe ist aus den positiven Linsen 12, 13 und 14 gebildet.

Charakteristisch für die beiden anhand der Fig. 2 und 3 erläuterten bekannten f-R-Objektive ist, daß die Blendenzahl hoch ist, nämlich F=8.

Ferner ist folgendes zu berücksichtigen. Wenn bei einem Abtastgerät der in Fig. 1 gezeigten Art als Abtastobjektiv ein f-R-Objektiv verwendet wird, muß ein ausreichender Abstand zwischen der Lichtablenkeinrichtung und dem Abtastobjektiv vorgesehen sein, wenn die Lichtablenkeinrichtung beispielsweise als Polygonspiegel ausgebildet ist, der Raum zum Drehen benötigt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Brennweite des Abtastobjektivs klein ist. Beispielsweise bei dem anhand der Fig. 2 erläuterten bekannten Abtastobjektiv gilt t/f= 0,4239, wobei t der Abstand zwischen der Pupille des Abtastobjektivs, an der sich in diesem Fall die Ablenk- Reflexionsfläche der Lichtablenkeinrichtung befindet, und der ersten Linsenfläche des Abtastobjektivs ist und f die Brennweite des Abtastobjektivs ist. Der verfügbare Raum ist daher beschränkt und bisweilen unzureichend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem Abtastobjektiv gemäß der vorstehend genannten Veröffentlichung "Three Optimized Designs for Flat Field Scanning Lenses", das dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1 zugrunde liegt, ein gut korrigiertes, lichtstarkes Objektiv zur Abtastung einer Fläche mit konstanter Geschwindigkeit zu schaffen, dessen Abstand von der Lichtablenkeinrichtung, d. h. von seiner Eintrittspupille, groß ist und bei dem die gesamte abzutastende Fläche mittels eines im wesentlichen gleichförmigen Strahlfleckes abgetastet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Wesentlich ist somit, daß die Linse der ersten Linsengruppe meniskusförmig ist und daß zusätzlich eine dritte Linsengruppe vorgesehen ist, die eine negative objektseitig konkave Linse umfaßt, wobei das Hauptstrahlenbündel im wesentlichen bildseitig telezentrisch ist.

Aus der US-PS 41 30 350 ist ein gattungsfremdes Objektiv bekannt, das zum Ablesen von Informationen von einer Videoscheibe dient und zu diesem Zweck einen Objektpunkt auf der Videoscheibe in einer vorgegebenen Ebene abbildet. Objekt- und Bildpunkt liegen dabei stets auf der optischen Achse, so daß eine Abtastung nicht erfolgt und der Gesichtspunkt der Abtastung mit konstanter Geschwindigkeit, also die f-R-Charakteristik, weder eine Rolle spielt, noch vorgesehen ist. An sich bekannt durch dieses Objektiv ist der Aufbau aus drei Linsengruppen mit einer ersten negativen Linsengruppe aus einer Einzellinse, einer positiven zweiten Linsengruppe aus drei positiven Linsen und einer dritten Linsengruppe aus einer negativen einzelnen Linse. Dabei ist allerdings die Linse der ersten Linsengruppe bikonkav und die Linse der dritten Linsengruppe objektseitig konvex.

Durch den gegenüber dem letztgenannten bekannten Objektiv und den beiden einleitend erläuterten Abtastobjektiven neuen allgemeinen Linsenaufbau des erfindungsgemäßen Abtastobjektivs sind nicht nur günstige Korrektionsmöglichkeiten hinsichtlich der Verzeichnung gegeben, sondern auch hinsichtlich sphärischer Aberration, Petzvalkrümmung und Astigmatismus. Die Ausbildung der ersten Linse als objektseitig konkaven Meniskus ermöglicht eine Kleinhaltung der Beiträge dieser Linse zum Astigmatismus und zur Petzvalkrümmung. In der letzten Linse kann zudem der Beitrag der sphärischen Aberration kleingehalten werden, da die Durchtrittshöhe des Öffnungsstrahls dort klein ist. Somit brauchen im wesentlichen bloß Astigmatismus und Petzvalkrümmung in der zweiten und dritten Linsengruppe und sphärische Aberration sowie Koma in der ersten und zweiten Linsengruppe gegeneinander kompensiert zu werden. Überdies ergibt sich ein ausreichend großer Abstand des Objektivs von der Lichtablenkeinrichtung. Das erfindungsgemäße Abtastgerät gemäß Patentanspruch 7 ist mit dem erfindungsgemäßen Abtastobjektiv ausgerüstet und weist daher dessen Vorteile auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 schematisch einen Laser-COM-Drucker als ein Ausführungsbeispiel eines Abtastgerätes mit einem Abtastobjektiv,

Fig. 2 und 3 Schnittbilder durch Abtastobjektive für eine Abtastung mit konstanter Geschwindigkeit gemäß dem Stand der Technik und

Fig. 4, 5, 6 und 7 Schnittbilder von erfindungsgemäßen Abtastobjektiven zur Abtastung mit konstanter Geschwindigkeit.

Im folgenden soll ein erfindungsgemäßes Objektiv zur Abtastung mit dem bereits genannten Aufbau beschrieben werden. Dieses Objektiv wird kurz auch als Abtastobjektiv bezeichnet. Die Tatsache, daß die erste Linsengruppe aus einer negativen Meniskuslinse besteht, deren konkave Fläche zur Objektseite gerichtet ist, dient zur Minimierung des Astigmatismus, der in dieser negativen Meniskuslinse erzeugt wird, und zur Erzeugung einer negativen sphärischen Aberration und Koma in dieser Meniskuslinse zur Korrektur der positiven sphärischen Aberration und der Koma, die in der zweiten Linsengruppe erzeugt werden, die positive Linsen aufweist und später beschrieben werden sollen.

Die Tatsache, daß die zweite Linsengruppe zwei oder mehr positive Linsen aufweist, dient zur Erzeugung einer positiven Verzeichnung in dieser Linsengruppe, um eine konstante bzw. gleichförmige Geschwindigkeit zu erzielen. Gewöhnliche Objektive, beispielsweise Fotoobjektive oder dergleichen, sind f-R-Objektive, wohingegen das Abtastobjektiv dafür sorgt, daß die Bildebene mit gleichförmiger Geschwindigkeit abgetastet wird, wenn ein drehbarer Polygonspiegel oder dergleichen mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, wie dies vorstehend beschrieben worden ist. Dies bedeutet, daß das hier beschriebene Abtastobjektiv ein f-R-Objektiv ist.

Zu diesem Zweck muß der Verzeichnungskoeffizient V dritter Ordnung V=2/3 sein. Betrachtet man diesen Punkt qualitativ, so ist es bei einem f-R-Objektiv erforderlich, daß der Außerachs-Hauptstrahl nahe der optischen Achse stärker als bei einem gewöhnlichen f-R-Objektiv geneigt wird. Dies bedeutet, daß der Hauptstrahl von der optischen Achse in der zweiten Linsengruppe beabstandet sein muß; deshalb ist die positive zweite Linsengruppe so ausgebildet, daß der Hauptstrahl in dieser positiven Linsengruppe stark in Richtung der optischen Achse geneigt wird. Wenn die zweite Linsengruppe aus einer positiven Linse besteht, werden die anderen Bildfehler außer der Verzeichnung groß; deshalb müssen zur Reduzierung der anderen Bildfehler, die hervorgerufen werden, sowie zur Einstellung der Verzeichnung auf den gewünschten Wert zwei oder mehr positive Linsen verwendet werden.

Im folgenden soll die dritte Linsengruppe betrachtet werden. Da eine negative Linse als dritte Linsengruppe verwendet wird, kann der vordere Hauptpunkt des gesamten Abtastobjektivs objektseitig von dem Abtastobjektiv angeordnet werden. Dies bedeutet, daß das Verhältnis des Abstandes vom vorderen Brennpunkt des Abtastobjektivs zur objektseitig ersten Linsengruppe zur Brennweite f vergleichsweise groß gemacht werden kann.

Durch die Anordnung der Pupille am vorderen Brennpunkt wird das Abtastobjektiv ein telezentrisches System; die Hauptstrahlen des austretenden Lichts können parallel zur optischen Achse verlaufen, und ein gleichförmiger Fleck kann über die gesamte Bildebene erhalten werden. Des weiteren ist die konkave Fläche der negativen Linse der dritten Linsengruppe zur Objektseite gerichtet. Durch diese konkave Fläche wird eine negative Verzeichnung zur Korrektur der positiven Verzeichnung erzeugt, die insbesondere in der zweiten Linsengruppe erzeugt wird; ferner wird ein negativer Astigmatismus zur Korrektur des positiven Astigmatismus erzeugt, der in der zweiten Linsengruppe erzeugt wird. Durch die negative Brechkraft der dritten Linsengruppe kann die in der zweiten Linsengruppe erzeugte Petzvalsumme korrigiert werden.

Durch den vorstehenden Aufbau des Abtastobjektivs kann ein Abtastobjektiv geschaffen werden, bei dem der Verzeichnungskoeffizient V des Objektivs insgesamt die Bedingung V=2/3 erfüllt und die sphärische Aberration, die Koma und die Bildfeldkrümmung gut korrigiert sind; ferner ist die Auflösung hoch und die Abtastgeschwindigkeit wird auf der Bildebene gleichförmig.

Im folgenden werden Linsendaten für ein erstes bis viertes Ausführungsbeispiel des Abtastobjektivs angegeben. In den folgenden Tabellen und den Fig. 4 bis 7 ist ri der Krümmungsradius der i-ten Fläche, gezählt von der Obektseite, di die Dicke bzw. der Luftabstand zwischen der i-ten Fläche und der i+l-ten Fläche, ni der Brechungsindex der i-ten Linse, a die Ablenkebene (hier die Pupillenebene), d_o der axiale Abstand zwischen der Pupillenebene und der ersten Fläche, S die Bildebene und f die Brennweite.

Ein Schnittbild des ersten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 4 gezeigt, des zweiten Ausführungsbeispiels in Fig. 5, des dritten Ausführungsbeispiels in Fig. 6 und des vierten Ausführungsbeispiels in Fig. 7. Die verschiedenen Aberrationswerte der Ausführungsbeispiele sind in Tabelle 1 angegeben. Hierbei ist I die sphärische Aberration, III der Astigmatismus, II die Koma, P die Petzvalsumme und V die Verzeichnung.

Erstes Ausführungsbeispiel (Fig. 4)

Zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 5)

Drittes Ausführungsbeispiel (Fig. 6)

Viertes Ausführungsbeispiel (Fig. 7)

Tabelle 1

Claims (8)

1. Objektiv zur Abtastung einer Fläche mit konstanter Geschwindigkeit mit einer von der Objektseite aus gesehen ersten Linsengruppe aus einer negativen, objektseitig konkaven Linse und mit einer zweiten Linsengruppe, die aus zumindest zwei positiven Linsen besteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Linse der ersten Linsengruppe meniskusförmig ist, daß eine dritte Linsengruppe vorgesehen ist, die eine negative, objektseitig konkave Linse umfaßt,
und daß das Hauptstrahlenbündel im wesentlichen bildseitig telezentrisch ist,

2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des axialen Luftabstandes zwischen der Eintrittspupille des Objektivs und der ersten Linsengruppe zur Brennweite des gesamten Objektivs angenähert ist.

3. Objektiv nach Anspruch 1oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsengruppe zwei bikonvexe Linsen aufweist.

4. Objektiv nach Anspruch 1oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsengruppe drei positive Linsen aufweist.

5. Objektiv nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsengruppe drei bikonvexe Linsen aufweist.

6. Objektiv nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsengruppe von der Objektseite aus gesehen eine erste, objektseitige konkave Meniskuslinse, eine zweite, objektseitige konkave Meniskuslinse und eine bikonvexe Linse aufweist.

7. Abtastgerät mit einer Lichtquelle, einem drehbaren Polygonspiegel, der das Lichtbündel von der Lichtquelle umlenkt, sowie mit einem Objektiv nach Anspruch 1.

8. Abtastgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand auf der optischen Achse zwischen der Ablenk-Reflexionsfläche des Polygonspiegels ( = 4) und der ersten Linsengruppe des Objektivs ( = 5) angenähert gleich der Brennweite des gesamten Objektivs ist.