DE3207441C2

DE3207441C2 -

Info

Publication number: DE3207441C2
Application number: DE3207441A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Matsuoka; Kazuo Yokohama Jp Minoura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1981-03-03
Filing date: 1982-03-02
Publication date: 1991-01-24
Also published as: DE3207441A1; JPS57144515A; JPH0115046B2; US4447112A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abtastsystem mit Neigungskorrektur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem derartigen optischen Abtastsystem mit Neigungskorrektur, wie es in der DE-OS 22 50 763 gezeigt ist, wird von einem Strahlenbündel paralleler Lichtstrahlen mittels eines ersten optischen Systems in Form einer Einzellinse, beispielsweise einer Zylinderlinse, auf einer Ablenkfläche einer Ablenkvorrichtung, beispielsweise eines Drehspiegels, ein linienförmiges Bild erzeugt. Nach der Reflexion an der Ablenkfläche wird das Strahlenbündel mittels eines zweiten optischen Systems in Form einer Einzellinse, beispielsweise einer weiteren Zylinderlinse, wieder kolimiert, d. h. in ein Strahlenbündel paralleler Lichstrahlen zurückverwandelt, woraufhin es mittels einer sphärischen Einzellinse auf einer Abtastebene fokussiert wird. Mit einem derartigen optischen System sind zwar infolge einer Neigung der Ablenkfläche auftretende Abbildungsungenauigkeiten vermieden, es ist allerdings sehr schwierig, die Abbildungsfehler ausreichend zu korrigieren, da die zweite Zylinderlinse in einer Richtung keinen konstruktiven Freiheitsgrad aufweist und zur Aberrationskorrektion nicht beiträgt sowie in der dazu senkrecht verlaufenden Richtung durch die von ihr wahrzunehmende Kollimierungsfunktion bezüglich ihrer Freiheitsgrade stark eingeschränkt ist. Die Aberrationskorrektion kann also im wesentlichen lediglich mittels der sphärischen Einzellinse erfolgen, wodurch eine ausreichende Aberrationskorrektion nicht zu erzielen ist. Zur Erhöhung der Zahl der Freiheitsgrade müßte deshalb die sphärische Einzellinse durch mehrere Linsen ersetzt werden, wodurch das Abtastsystem einen großen Bauraum erforderte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße optische Abtastsystem derart weiterzubilden, daß unter Beibehaltung eines kompakten Aufbaus in einfacher Weise eine gute Aberrationskorrektion erzielbar ist.

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

Da erfindungsgemäß sowohl die sphärische Einzellinse als auch die torische Einzellinse in alle Richtungen eine Brechkraft aufweisen, ist die Anzahl der zur Aberrationskorrektion vorhandenen Freiheitsgrade wesentlich erhöht. Wie im einzelnen anhand der Ausführungsbeispiele später beschrieben wird, ist die erfindungsgemäße Ausbildung der sphärischen Einzellinse mit einer negativen Brechkraft und die Anpassung ihrer Krümmungen vorteilhaft im Hinblick auf den Astigmatismus III, die sagittale Bildfeldkrümmung IV und die Verzeichnung V, während die Ausbildung der torischen Oberflächen mit negativer Brechkraft der Korrektur der Bildfeldkrümmung dienlich ist, wodurch es möglich ist, auf dem abzutastenden Medium einen vorteilhaften Abbildungspunkt zu erhalten. Das Merkmal, daß die torische Einzellinse eine Oberfläche positiver Brechkraft aufweist, die dem abzutastenden Medium zugewandt ist, ist vorteilhaft im Hinblick auf einen kompakten Aufbau des zweiten optischen Systems. Der Hauptpunkt des aus der sphärischen Einzellinse und der torischen Einzellinse zusammengesetzten zweiten optischen Systems kann dadurch nahe dem abzutastenden Medium angeordnet werden. Infolge dessen wird es möglich, das zweite optische System nahe der Ablenkvorrichtung anzuordnen, so daß das optische Abtastsystem sehr kompakt ausgebildet werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen des optischen Abtastsystems sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

Fig. 1 den Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems,

Fig. 2 einen Schnitt in einer Ebene parallel zur Ablenkebene,

Fig. 3 einen Schnitt senkrecht zur Ablenkebene,

Fig. 4 eine Erläuterung eines Winkels ε, mit dem der Hauptstrahl, der in der Ebene parallel zur Ablenkebene abgelenkt wird, auf eine torische Einzellinse einfällt,

Fig. 5 die Beziehung zwischen der Bildhöhe und dem Winkel ε,

Fig. 6A und 6B Querschnitte des zweiten optischen Systems in der Ebene parallel zur Ablenkebene und senkrecht zur Ablenkebene,

Fig. 7A und 7B die Bildfehler in der Gausschen Bildebene der in den Fig. 6A und 6B gezeigten Linse, und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für einen Laserstrahldrucker.

Fig. 1 zeigt eine Lichtquelle 1, die zusätzlich ein Kondensorsystem aufweisen kann, ein erstes optisches System 2, das ein von der Lichtquelle 1 ausgesandtes Strahlenbündel linear abbildet, eine Ablenkvorrichtung 3 mit einer Ablenk- und Reflexionsfläche 3a nahe der Stelle, an der das Strahlenbündel durch das erste optische System 2 linear abgebildet wird, eine sphärische erste Einzellinse 4 zwischen der Ablenkvorrichtung 3 und einem abzutastenden Medium 6, und eine zweite Einzellinse 5 mit Brechkräften, die sich in zwei zueinander senkrechten Richtungen unterscheiden und mit einer torischen Fläche, die eine Haupt- und eine Hilfsachse hat. Ein Abbildungsfleck wird durch das aus diesen Linsen bestehende zusammengesetzte System auf dem abzutastenden Medium 6 gebildet; wenn sich die Ablenkvorrichtung 3 dreht, tastet der Abbildungsfleck das abzutastende Medium 6 ab.

Fig. 2 zeigt einen zu der Ablenkebene des vorstehend beschriebenen Aufbaues parallelen Querschnitt, oder anders ausgedrückt, einen Schnitt in einer Ebene, die die Hauptachse der torischen Einzellinse 5 und die optische Achse der sphärischen Einzellinie 4 enthält. Das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Strahlenbündel geht durch das erste optische System, beispielsweise eine Zylinderlinse 2 hindurch, wird anschließend von der Ablenkfläche 3a der Ablenkvorrichtung 3 reflektiert, wobei das reflektierte Strahlenbündel abgelenkt wird, wenn sich die Ablenkvorrichtung 3 dreht. Das abgelenkte Strahlenbündel wird auf dem abzutastenden Medium 6 durch das zweite optische System abgebildet, das aus der sphärischen Einzellinse 4 und der torischen Einzellinse 5 besteht; die Abtastgeschwindigkeit des abgebildeten Flecks wird konstant gehalten.

Fig. 3 zeigt eine abgewickelte Ansicht eines Querschnittes senkrecht zu der Ablenkebene, der die optische Achse enthält, d. h. einen Querschnitt zur Korrektur des Einflusses einer Neigung bzw. einer Verkippung der Ablenkfläche 3a. Das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Strahlenbündel wird linear nahe der Ablenkfläche 3a der Ablenkvorrichtung 3 durch das erste optische System 2 abgebildet. Die Brechkraft der torischen Einzellinse 5 in diesem Querschnitt stellt anders als ihre Brechkraft in der Ablenkebene eine optische konjugierte Positionsbeziehung zwischen der Ablenkfläche 3a der Ablenkvorrichtung 3 und dem abzutastenden Medium 6 durch das aus der sphärischen Einzellinse 4 und der torischen Einzellinse 5 bestehende zweite optische System her. Aufgrund dieser Beziehung variiert, wenn die Ablenkfläche 3a in Richtung senkrecht zu der Ablenkebene geneigt ist, so daß sie eine Position 3a′ während der Drehung der Ablenkvorrichtung 3 annimmt, das durch das zweite optische System 4, 5 hindurchgehende Strahlenbündel, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt, während die Abbildungsposition auf dem abzutastenden Medium 6 nicht variiert.

Im folgenden soll beschrieben werden, wie eine gute Abbildungsqualität und eine gleichförmige Abtastgeschwindigkeit auf dem abzutastenden Medium bei dem optischen Abtastsystem trotz seines einfachen und kompakten Aufbaus erreicht werden können. Wenn das Öffnungsverhältnis klein ist, beispielsweise 1 : 30 bis 1 : 100, kann es ausreichen, wenn der Linsenaufbau, mit dem gute Abtasteigenschaften erzielt werden, aus zwei Einzellinsen besteht.

Im allgemeinen sind bei einem Linsensystem mit kleinem Öffnungsverhältnis die zu korrigierenden Bildfehlerkoeffizienten der Astigmatismuskoeffizient (III), der Koeffizient (IV) der sagittalen Bildfeldkrümmung und der Koeffizient (V) der Verzeichnung. Diese Bildfehlerkoeffizienten des gesamten Linsensystems erfüllen die folgenden Beziehungen mit den charakteristischen Koeffizienten a_IIIi, b_IIIi, c_IIIi, a_IVi, b_IVi, c_IVi, a_Vi, b_Vi, c_Vi und den Eigenkoeffizienten A _oi, B _oi.

Die charakteristischen Koeffizienten sind Konstanten, die durch paraxialen Beziehungen und das Material bestimmt sind, während die Eigenkoeffizienten A _oi und B _oi Koeffizienten sind, die die Form der i-ten Konstruktionsgruppe bestimmen. Gleichung (1) ist die allgemeine Beziehung für den Fall, daß die Zahl der Konstruktionsgruppen N ist.

Wenn jede Konstruktionsgruppe eine Einzellinse ist, so besteht die folgende Unterbeziehung zwischen den Einzelkoeffizienten A _oi und B _oi jeder Einzellinse:

A _oi = α_i · B _oi 2 + β_i · B _oi + γ_i (2)

Hierbei sind α_i, β_i und γ_i Konstanten, die durch den Brechungsindex des Materials der i-ten Einzellinse bestimmt sind.

Das optische Abtastsystem ist ein anamorphotisches optisches System, bei dem die Brennweite f_p in der Ablenkebene und die Brennweite f_v in einem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene unterschiedlich sind; wenn die Brennweite in der Ablenkebene betrachtet wird, müssen die meridionale Bildfeldkrümmung ΔM und die Verzeichnung korrigiert werden. Zwischen ΔM und dem Astigmatismuskoeffizient (III) und dem Koeffizient (IV) der sagittalen Bildfeldkrümmung besteht die folgende Beziehung:

Hierbei sind N₁ und N_k, die objekt- bzw. bildseitigen Brechungsindizes, R der halbe Gesichtsfeldwinkel des einfallenden Lichts und k′ der Abstand zwischen der hinteren Hauptebene des optischen Systems und der Gausschen Bildebene.

Wenn Gleichung (2) in Gleichung (1) eingesetzt und Gleichung (3) berücksichtigt wird, erhält man:

Hierbei sind ξ (2 III + IV)_i, η (2 III + IV)_i, ζ (2 III + IV)_i, ξ_vi, η_vi und ζ_vi Konstanten, die durch die charakteristischen Koeffizienten und die Konstanten α_i, β_i und γ_i bestimmt sind.

Wenn in Gleichung (4) die gewünschten Werte der Bildfehlerkoeffizienten zur Erzielung einer Verzerrungscharakteristik, mit der eine gute Bildqualität und eine gleichförmige Abtastgeschwindigkeit erzielt werden, eingesetzt werden und die Zahl der Linsen 2 ist (N = 2), ist es möglich, gleichzeitig die Gleichungen mit B _o1 und B _o2 als Unbekannte zu lösen und somit B _o2 zu erhalten.

B _oi kann wie folgt durch den Krümmungsradius R_i der vorderen Fläche der i-ten Linse und den Brechungsindex N_i des Materials dieser Linse ausgedrückt werden.

Es ist so möglich, den Krümmungsradius R_i und R₂ der vorderen Flächen der entsprechenden Linsen mittels Gleichung (5) und der Eigenkoeffizienten B _o1 und B _o2 der beiden Gruppen, die aus den vorstehenden Ergebnissen erhalten worden sind, zu erhalten; die Krümmungsradien R₁, und R₂, der hinteren Flächen der entsprechenden Linsen können mittels der folgenden Gleichung erhalten werden:

Vorstehend sind die Linsen als dünne Linsen behandelt worden, deren Brennweiten auf 1 normiert worden ist.

Nimmt man bei dem tatsächlichen System gemäß Fig. 2 an, daß die Brechkräfte der Einzellinsen 4 und 5 Φ₁ und Φ₂ sind, so sind die Krümmungsradien r₁, r₂, r₃ und r₄ der vorderen und hinteren Flächen der entsprechenden Linsen wie folgt gegeben:

r₁ = R₁/Φ₁
r₂ = R₁′/Φ₁
r₃ = R₂/Φ₂
r₄ = R₂′/Φ₂

Wie vorstehend beschrieben, ist es zur Erzielung einer guten Abbildungsqualität bei einer Konstruktion mit zwei Einzellinsen möglich, die Form jeder Linse zu bestimmen, bei der 2 III + IV unter Einschluß des Astigmatismuskoeffizienten (III) und des Koeffizienten (IV) der sagittalen Bildfeldkrümmung sowie des Verzeichnungskoeffizienten (V) entsprechend der zur Erzielung einer gleichförmigen Abtastgeschwindigkeit charakteristischen Verzerrung auf die entsprechenden gewünschten Werte eingestellt sind. Andererseits ist die zulässige Schärfentiefe Δx des optischen Systems gegeben durch:

Δx = K · (tatsächliche Blendenzahl)² · λ

Hierbei ist K eine Konstante, die durch die Querschnitts- Intensitätsverteilung des Strahlenbündels, die Abflachungsbedingung des Strahlenbündels etc. bestimmt ist. Die tatsächliche Blendenzahl F wird durch einen Lichtstrahl bestimmt, der eine Intensität von 1/e² der Mittelpunktsintensität des Abbildungsflecks ergibt. λ ist die verwendete Wellenlänge. Folglich kann der Wert von 2 III + IV angestrebt werden, für den die meridionale Bildfeldkrümmung ΔM die Bedingung |ΔM| ≦ Δx erfüllt.

Bei dem optischen Abtastsystem sind die gewünschten Werte von 2 III + IV und V für den Fall erzielt worden, daß die sphärische Einzellinse eine negative Brechkraft hat und das Produkt ihrer Krümmungen auf der Ablenkvorrichtung zugewandten Seite und der dem abzutastenden Medium zugewandten Seite kleiner oder gleich 0 ist.

Im folgenden soll eine torische Fläche für die zur Ablenkebene senkrechte Richtung eingeführt werden; deshalb ist eine Brennweite möglich, die sich von der Brennweite des aus den Linsen 4 und 5 zusammengesetzten zweiten optischen Systems in der Ablenkebene unterscheidet. Folglich ist es möglich, eine Abbildungsbeziehung zu erhalten, die sich von der Abbildungsbeziehung in der Ablenkebene unterscheidet; die Ablenkfläche 3a der Ablenkvorrichtung 3 und die Position des abzutastenden Mediums 6 werden in eine konjugierte Beziehung gebracht.

Was eine größere Bedeutung hat, ist, daß in einem die optische Achse enthaltenden Querschnitt, der zur Ablenkebene senkrecht ist, mindestens eine Fläche der torischen Einzellinse 5 eine negative Brechkraft hat. Dies ist der Korrektur der Bildfeldkrümmung dienlich, wodurch bewirkt wird, daß das in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene abgelenkte Strahlenbündel einen guten Abbildungsfleck auf dem abzutastenden Medium 6 bildet.

Wenn ferner in einem Querschnitt parallel zur Ablenkebene der Wert der Krümmung 1/r₃ der der Ablenkvorrichtung 3 zugewandten Fläche der torischen Einzellinse 5 in der Nähe von 0 liegt, ist die Korrekturwirkung für die Bildfeldkrümmung groß.

Diese Bedingung bedeutet, daß die negative Brechkraft für den einfallenden Lichtstrahl in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene größer wird, wenn der Ablenkwinkel größer wird, und eine Korrekturwirkung für die Bildebene in positiver Richtung hervorgerufen wird.

Wenn ferner das Verhältnis f_T/f_T′ der Brennweite f_T der torischen Einzellinse 5 im Querschnitt parallel zur Ablenkebene und der Brennweite f_T′ der torischen Einzellinse 5 im Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene einen Wert kleiner als 5,0 hat, wird es möglich, die Verzerrungs- bzw. Verzeichnungscharakteristik in der Ablenkebene gut zu korrigieren.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, daß in dem Querschnitt, der die optische Achse enthält und senkrecht zur Ablenkebene ist, die Form der torischen Einzellinse 5 wünschenswerterweise der einer Meniskus-Einzellinse mit einer Fläche positiver Brechkraft auf der Seite des abzutastenden Mediums 6 und mit positiver Gesamtbrechkraft sein sollte. Dies hat die Wirkung, daß in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene die Position des Hauptpunktes des aus der sphärischen Einzellinse 4 und der torischen Einzellinse 5 bestehenden zweiten optischen Systems nahe an das abzutastende Medium 6 gebracht wird; infolge hiervon wird es möglich, das gesamte Linsensystem nahe an die Ablenkvorrichtung 3 zu bringen, so daß das optische Abtastsystem kompakt wird. Nimmt man an, daß die Brennweiten des zweiten optischen Systems im Querschnitt parallel zur Ablenkebene und im Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene f_p und f_v sind, so wird die vorstehend erläuterte Wirkung groß, wenn die Bedingung

4,0 < (f_p/f_v) < 5,4

erfüllt ist.

Der gewünschte Wert des Verzeichungskoeffizienten (V), der zu korrigieren ist, wird durch die Drehcharakteristik der Ablenkvorrichtung 3 bestimmt.

Wenn die Ablenkvorrichtung 3 mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, ist der Wert des Verzeichnungskoeffizienten V, bei dem sich das durch die Ablenkvorrichtung 3 abgelenkte Strahlungsbündel mit gleichförmiger Geschwindigkeit auf der Oberfläche des abzutastenden Mediums 6 bewegt: V = ²/₃.

Wenn die Ablenkvorrichtung 3 eine Sinusschwingung ausführt, wie sie durch Φ = Φ₀ sin ω t (Φ: Drehwinkel, Φ₀: Amplitude, ω: Winkelfrequenz und t: Zeit), ist der Wert des Verzeichnungskoeffizienten, bei dem sich das durch die Ablenkvorrichtung 3 abgelenkte Strahlenbündel mit gleichförmiger Geschwindigkeit auf der Oberfläche des abzutastenden Mediums 6 bewegt:

Es besteht nicht die Bedingung, daß das Strahlenbündel zwischen der sphärischen Einzellinse 4 und der torischen Einzellinse 5 kollimiert wird; deshalb ist der Freiheitsgrad der Brechkraft der beiden Einzellinsen nicht beschränkt und es kann eine gute Abbildungsqualität und Verzeichnungscharakteristik durch die beiden Einzellinsen erreicht werden.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele für das zweite optische System des Abtastsystems gezeigt werden. Das zweite optische System weist in Reihenfolge von der Ablenkvorrichtung 3 eine sphärische Einzellinse 4 und eine torische Einzellinse 5 auf, wobei das Produkt der Krümmung der Fläche oder Einzellinse 4, die der Ablenkvorrichtung 3 zugewandt ist, und der Krümmung der Fläche, die dem abzutastenden Medium 6 zugewandt ist, 0 oder kleiner ist; ferner hat die sphärische Einzellinse 4 eine negative Brechkraft.

Die nachstehenden Tabellen 1-8 zeigen Ausführungsbeispiele des zweiten optischen Systems.

Die mit der Bezeichnung (a) versehenen Tabellen geben Linsendaten an. r₁ bis r₄ sind die Krümmungsradien der jeweiligen Linse in der Ebene parallel zur Ablenkebene, während r₁′ - r₄′ die Krümmungsradien der Linsen in einem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene sind (bei der sphärischen Einzellinse 4 ist r₁ = r₁′ und r₂ = r₂′); d₁ ist die axiale Dicke der sphärischen Einzellinse 4, d₂ der axiale Luftabstand zwischen der r₂-Fläche der sphärischen Einzellinse 4 und der r₃-Fläche der torischen Einzellinse 5 (dieser Luftabstand ist gleich dem axialen Luftabstand zwischen der r₂′-Fläche der sphärischen Einzellinse 4 und der r₃′-Fläche der torischen Einzellinse 5), d₃ ist die axiale Dicke der torischen Einzellinse 5, n₁ der Brechungsindex der sphärischen Einzellinse 4 und n₂ der Brechungsindex der torischen Einzellinse 5.

Im folgenden sollen die Tabletten mit der Bezeichnung (b) erläutert werden. In einer Ebene parallel zur Ablenkebene (im folgenden als ebene Ablenkebene bezeichnet) und in einem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene (im folgenden als senkrechter Querschnitt bezeichnet) ist die Brennweite des zweiten optischen Systems, das aus der sphärischen Einzellinse 4 und der torischen Einzellinse 5 besteht, in der Spalte f angegeben. Zu Zwecken der Beschreibung wird die Brennweite in der "ebenen Ablenkebene" als f_p und die Brennweite in dem "senkrechten Querschnitt" als f_v bezeichnet. Die Brennweite der torischen Einzellinse 5 ist in der Spalte f₅ angegeben.

Zu Zwecken der Beschreibung wird die Brennweite in der "ebenen Ablenkebene" als f_T und die Brennweite im "senkrechten Querschnitt" als f_T′ bezeichnet. Die rückwärtige Brennweite ist in der Spalte b. f. angegeben. Die Objektentfernung von der ersten Fläche (d. h. der r₁ bzw. r₁′- Fläche der sphärischen Einzellinse) ist in der Spalte S₁ angegeben. In der Spalte Sk′ ist der Abstand von der letzten Fläche (der r₄ bzw. r₄′-Fläche) der torischen Einzellinse 5 zu der Gausschen Bildebene angegeben, wenn die Objektentfernung S₁ ist. Die Spalte der tatsächlichen Blendenzahl F zeigt die bildseitige tatsächliche Blendenzahl, wenn die Objektentfernung S₁ ist.

In den Tabellen mit der Bezeichnung (c) ist der Aberrationskoeffizient 3. Ordnung bei Normierung auf f_p = 1 in der Ebene parallel zur Ablenkebene angegeben.

In den Tabellen mit der Bezeichnung (d) ist in der Spalte δ der Winkel in Einheiten radian angegeben, den bei Normierung auf f_v = 1 ein paraxialer Strahl, der auf die r₁′- Fläche der sphärischen Einzellinse 4 mit einer Höhe 1 an der Hauptebene im Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene einfällt, mit der optischen Achse bildet, wenn er auf die r₃′-Fläche der torischen Einzellinse 5 auftrifft, wenn er aus der r₂′-Fläche der sphärischen Einzellinse 4 ausgetreten ist. Wenn δ ≠ 0, bedeutet dies, daß der Lichtstrahl zwischen der r₂′-Fläche der sphärischen Einzellinse 4 und der r₃′-Fläche der torischen Einzellinse 5 nicht kollimiert wird.

Tabelle 1-(a)

Tabelle 1-(b)

Tabelle 1-(c)

Tabelle 1-(d)

Tabelle 2-(a)

Tabelle 2-(b)

Tabelle 2-(c)

Tabelle 2-(d)

Tabelle 3-(a)

Tabelle 3-(b)

Tabelle 3-(c)

Tabelle 3-(d)

Tabelle 4-(a)

Tabelle 4-(b)

Tabelle 4-(c)

Tabelle 4-(d)

Tabelle 5-(a)

Tabelle 5-(b)

Tabelle 5-(c)

Tabelle 5-(d)

Tabelle 6-(a)

Tabelle 6-(b)

Tabelle 6-(c)

Tabelle 6-(d)

Tabelle 7-(a)

Tabelle 7-(b)

Tabelle 7-(c)

Tabelle 7-(d)

Tabelle 8-(a)

Tabelle 8-(b)

Tabelle 8-(c)

Tabelle 8-(d)

Wie in Fig. 4 gezeigt, ist ε derjenige Winkel, den die gestrichelt dargestellte Normale der r₃-Fläche am Schnittpunkt zwischen dem abgelenkten Hauptstrahl in der Ebene parallel zu der Ablenkebene und der r₃-Fläche der torischen Einzellinse 5 mit dem Hauptstrahl bildet (Einheit: Grad; die positive Richtung wird entgegen dem Uhrzeigersinn gezählt); der Winkel ε, der der maximalen Bildhöhe (= 0,6 · f_p) entspricht, wird als ε_max bezeichnet. Die Beziehung zwischen ε und der Bildhöhe bei den in Tabelle 1-(a)-(d) gezeigten Ausführungsbeispielen ist in Fig. 5 dargestellt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, nimmt bei dem in Tabelle 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ε zu, wenn die Bildhöhe zunimmt. Dies bedeutet, daß, wenn der einfallende Sichtwinkel zunimmt, die r₃-Fläche der torischen Einzellinse 5 eine starke Brechkraft für den Lichtstrahl einschließlich des Hauptstrahls und im Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene verglichen mit dem Fall des axialen Lichtstrahls hat; durch diese Wirkung verbunden mit der der r₃-Fläche der torischen Einzellinse 5 ist es vorteilhaft für die Korrektur der Bildfeldkrümmung, daß das in diesem Querschnitt abgelenkte Strahlenbündel einen guten Abbildungsfleck auf dem abzutastenden Medium 6 bildet, und daß das gesamte optische System anschließend an die Ablenkebene eine Verzeichnungscharakteristik hat, die eine gleichförmige Abtastgeschwindigkeit auf der abzutastenden Oberfläche in der Ebene parallel zu der Ablenkebene hervorruft, sowie die Wirkung, Neigungen bzw. Verkippungen im Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene zu korrigieren.

Fig. 6A zeigt den Linsenaufbau des Ausführungsbeispiels gemäß Tabelle 1 in der Ebene parallel zur Ablenkebene, und Fig. 6B den Linsenaufbau dieses Ausführungsbeispiels in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene. Fig. 7A zeigt die Bildfehler dieses Ausführungsbeispiels in der Ebene parallel zur Ablenkebene und Fig. 7B in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene. In Fig. 7A ist LIN eine Größe, die die Linearität darstellt und die ausgedrückt wird als

(y′: Bildhöhe)

Bei den Aberrationskurven der Fig. 7A und 7B ist, wie in der Spalte Sk′ der Tabellen (b) dargestellt ist, der Abstand von der letzten Fläche (der r₄-Fläche oder der r₄′- Fläche) der torischen Einzellinse 5 zu der Gausschen Bildebene in den entsprechenden Ebenen unterschiedlich.

Die in den Tabellen 1-8 gezeigten Ausführungsbeispiele erfüllen beispielsweise die durch die folgenden Parameter dargestellten Entwurfsspezifikationen. Dies bedeutet, daß, wenn der Strahl in einem Zustand ist, in dem die Intensitätsverteilung über den Querschnitt des Strahls eine Gauss-Verteilung ist, und in der ferner keine Abflachung abgebildet wird, die verwendete Wellenlänge auf 800 nm und die effektive Blendenzahl in den Querschnitt parallel zur Ablenkebene auf 60 eingestellt sind, der zulässige Wert Δx der Schärfentiefe Δx = 3,7 mm. Wenn folglich die Brennweite f_p des zweiten optischen Systems das aus der sphärischen Einzellinse 4 und der torischen Einzellinse 5 besteht, im Querschnitt parallel zur Ablenkebene 100 mm ist, erhält man aus Gleichung (3), daß |2 III + IV| ≦ 0.56 ist, damit die meridionale Bildfeldkrümmung ΔM erfüllt |ΔM| ≦ 3,7 mm.

Wenn bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Tabellen 1-8 als Beziehung zwischen dem Krümmungsradius r₃ der der Ablenkvorrichtung 3 zugewandten Fläche der torischen Einzellinse 5 und dem Krümmungsradius r₄ der Fläche der torischen Einzellinse 5, die dem abzutastenden Medium 6 zugewandt ist, in der Ebene parallel zu der Ablenkebene (1/r₃) < (1/r₄) gilt, und wenn als Beziehung zwischen der Brennweite f_p des zweiten optischen Systems, das aus der sphärischen Einzellinse 4 und der torischen Einzellinse 5 besteht, in der Ebene parallel zu der Ablenkebene und der Brennweite des zweiten optischen Systems in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene gilt:

4,0<(f_p/f_v)<5,4

so hat das optische Abtastsystem eine Verzeichnungscharakteristik, bei der eine Abtastung mit gleichförmiger Geschwindigkeit auf dem abzutastenden Medium 6 in einer Ebene parallel zu der Ablenkebene er folgt; ferner hat das optische Abtastsystem eine Neigungs- bzw. Verkippungskorrekturwirkung in dem Querschnitt senk recht zur Ablenkebene.

In der vorstehenden Beschreibung gilt , daß das Vorzeichen des Krümmungsradius positiv ist, wenn die Fläche konvex zur Ablenkvorrichtung ist, und negativ im umgekehrten Fall.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des optischen Abtastsystems bei Anwendung in einem Laserstrahldrucker. Gemäß Fig. 8 wird der von einem Laseroszillator 11 erregte Laserstrahl über einen Reflexionsspiegel 12 zur Eintrittsöffnung eines Modulators 13 gerichtet. In dem Modulator 13 wird der Laserstrahl mit einem aufzuzeichnenden Informationssignal moduliert. Anschließend wird mittels eines ersten optischen Systems 14, das beispielsweise eine Zylinderlinse aufweist, ein Linearbild orthogonal zur Drehachse 15a einer Ablenkvorrichtung 15 nahe der Ablenk- und Reaktionsfläche gebildet. Das von der Ablenkvorrichtung 15 abgelenkte Strahlenbündel wird über ein zweites optisches System 16 auf einer photoempfindlichen Trommel 17 abgebildet. Das zweite optische System 16 weist die vorstehend beschriebene sphärische Einzellinse 16a und eine torische Einzellinse 16b auf. Das abgelenkte Strahlenbündel tastet die fotoempfindliche Trommel 17 mit gleichförmiger Geschwindigkeit ab. Bezugszeichen 18 bezeichnet einen ersten Coronalader und Bezugszeichen 19 einen AC- Corona-Entlader. Beide bilden einen Teil eines elektrofotographischen Prozesses.

Der Laseroszillator 11 kann eine Lichtquelleneinrichtung sein, die einen selbstmodulierten Halbleiterlaser und ein optisches Strahl-Umbildungssystem zur Korrektur des Strahl- Querschnittes aufweist, das den Laserstrahl in ein afokales Strahlenbündel umwandelt.

Bei der vorstehend beschriebenen Anwendung ist es nicht erforderlich, daß das Strahlenbündel, das in die sphärische Einzellinse 16a in einer Ebene parallel zu der Ablenkebene eintritt, ein Parallelstrahlenbündel ist, sondern er kann auch ein divergentes oder ein konvergentes Strahlenbündel sein. Das Strahlenbündel nahe der Ablenkfläche der Ablenkvorrichtung 15 in einem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene abzubilden, kann leicht dadurch erreicht werden, daß die Lichtquelleneinrichtung 11 eine Lichtquelle und eine Kondensoreinrichtung sowie ein erstes optisches System 14 zur Erzeugung eines Linearbilds aufweist.

Wenn bei der vorstehend beschriebenen Anwendung als Lichtquelle beispielsweise ein Halbleiterlaser, bei der der Lichtemissionswinkel in zwei zueinander senkrechten Ebenen unterschiedlich ist, verwendet wird, und wenn ein rotationssymmetrisches erstes optisches System 14 unter Verwendung der Tatsache verwendet wird, daß die Lichtemissionspunkte in zwei zueinander senkrechten Ebenen unterschiedlich sind (da dies äquivalent zu der Tatsache ist, daß der Objektpunkt eine Astigmatismusdifferenz in zwei zueinander senkrechten Ebenen hat), ist es möglich, das Strahlenbündel nahe der Ablenkfläche der Ablenkvorrichtung 15 in dem Querschnitt senkrecht zur Ablenkebene abzubilden und zu bewirken, daß ein divergiertes oder konvergentes Strahlenbündel in die sphärische Einzellinse 16a in der Ebene parallel zu der Ablenkebene eintritt.

Claims

1. Optisches Abtastsystem mit Neigungskorrektur, mit einer Lichtquelle, die ein Strahlenbündel abgibt,
einer Ablenkvorrichtung, mittels der das Strahlenbündel in einer vorbestimmten Richtung in einer Ablenkebene abgelenkt wird,
einem ersten optischen System, das zwischen der Lichtquelle und der Ablenkvorrichtung angeordnet ist und mittels dessen das Strahlenbündel auf einer Ablenkfläche der Ablenkvorrichtung linear abbildbar ist, und
einem zweiten optischen System, das zwischen der Ablenkvorrichtung und einem abzutastenden Medium angeordnet ist und mittels dessen das von der Ablenkfläche abgelenkte Strahlenbündel auf dem abzutastenden Medium fokussierbar ist,
wobei das zweite optische System eine auf der Seite der Ablenkvorrichtung angeordnete erste Einzellinse sowie eine auf der Seite des abzutastenden Mediums angeordnete zweite Einzellinse umfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Einzellinse (4, 16a) eine sphärische Einzellinse negativer Brechkraft ist, wobei das Produkt der Krümmungen ihrer Oberflächen kleiner oder gleich Null ist, und
daß die zweite Einzellinse (5; 16b) eine torische Einzellinse in Form einer positiven Meniskuslinse ist, die in einer senkrecht zur Ablenkebene verlaufenden und die optische Achse beinhaltenden Querschnittsebene eine der Ablenkvorrichtung (3; 15) zugewandte Oberfläche negativer Brechkraft und eine dem abzutastenden Medium (6; 17) zugewandte Oberfläche positiver Brechkraft aufweist.

2. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Einzellinse (4; 16a) eine bikonkave Linse ist.

3. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Einzellinse (4; 16a) eine plan-konkave Linse ist.

4. Optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der der Ablenkvorrichtung (3; 15) zugewandten Oberfläche der torischen Einzellinse (5; 16b) in einer parallel zu der Ablenkebene verlaufenden Querschnittsebene im wesentlichen Null ist.

5. Optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingung f_r/f_r′ 5,0erfüllt ist, wobei f_r die Brennweite der torischen Einzellinse (5; 16b) in einer parallel zu der Ablenkebene verlaufenden Ebene und f_r′ die Brennweite der torischen Einzellinse (5; 16b) in einer senkrecht zu der Ablenkebene verlaufenden Ebene ist.

6. Optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingung 1/r₃ < 1/r₄erfüllt ist, wobei r₃ der Krümmungsradius der der Ablenkvorrichtung (3; 15) zugewandten Oberfläche und r₄ der Krümmungsradius der dem abzutastenden Medium (6; 17) zugewandten Oberfläche der torischen Einzellinse (5; 16b) jeweils in einer parallel zu der Ablenkebene verlaufenden Ebene ist.

7. Optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingung 4,0 < (f_p/f_v) < 5,4erfüllt ist, wobei f_p die Brennweite des zweiten optischen Systems in einer parallel zu der Ablenkebene verlaufenden Ebene und f_v die Brennweite des zweiten optischen Systems in einer senkrecht zu der Ablenkebene verlaufenden Ebene ist.