DE3242620C2

DE3242620C2 - Optisches Abbildungssystem

Info

Publication number: DE3242620C2
Application number: DE3242620A
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Yokohama Kanagawa Inokuchi
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1981-11-18
Filing date: 1982-11-18
Publication date: 1985-04-25
Also published as: JPS6119972B2; DE3242620A1; JPS5886515A; US4505570A

Abstract

Ein klein dimensioniertes optisches System zur Bilderzeugung weist zwei Typen einer Anzahl von Porro-Prismenlinsen auf, wobei eine obere Linsenfläche und eine untere Linsenfläche jeder Porro-Prismenlinse die Form von Spiegelflächen hat, und wobei die Porro-Prismenlinsen entsprechend kombiniert sind, um Anordnungen zu bilden, durch welche die Bilder in der Phase um eine halbe Periode verschoben werden, so daß ein aufrechtstehendes reelles Bild geschaffen werden kann.

Description

Rechteckprismen 2 und 3, die auf der Hypotenusenfläche des Grundprismas 1 angeordnet sind; mit »Hypotenuscnfläche« wird also die Grundfläche des Grun(?prismas 1 bezeichnet, die ihrem rechten Winkel gegenüberliegt, während die beiden anderen Flächen als »schräge Flächen« bezeichnet werden sollen.

Die beiden Rechteckprismen 2 und 3 sind so an der Hypotenusenfläche -des Grundprismas t angeordüet, daß die Hypotenusenfläche 2a des Rechteckprisnias 2 nach unten und die Hypotenusenfläche 3a des benachbarten Rechteckprismas 3 nach oben gerichtet sind- Die Ein- und Austrittsflächen 4,5 der Porro-Prismen zweiler Art, also der beiden Typen I und H, sind konvex gewölbt, haben also Linsenform.

Bei dem Typ I des Porro-Prismäs zweiter Art wird das von einem schematisch angedeuteten Gegenstand 6 kommende Licht nach dem Eintritt durch die konvex gewölbte Fläche 4 an der Hypotenusenfläche 2a des Rcchtcckprismas 2, an den schrägen Flächen la und \b des Rechteckprismas ί und an der Hypötenuscnfiäehe 3a des Rechteckprismas 3 reflektiert und tritt data an der konvex gewölbten Austrittsfläche S aus, wodurch eine aufrechte, reelle Abbildung 7 des Gegenstandes 6 entsteht.

Der Typ Il des Porro-Prismas zweiter Art erzeugt die Abbildung 7 auf die gleiche Weise.

Ein Porro-Prisma hat die Grundeigenschaft, aus einem eingegebenen Muster eine vollständig umgekehrte Abbildung, nämlich links nach rechts und oben nach unten vertauscht, zu erzeugen; die konvex gewölbten Kin- und Austrittsflächen 4 und 5 erzeugen wiederum eine umgekehrte, reelle Abbildung, so daß insgesamt eine aufrechte, reelle Abbildung des Gegenstandes entsteht.

Das optische Abbildungssystem wird aus den beiden Typen I und Il von Porro-Prismen zweiter Art gebildet, bei denen die beiden Rechteckprismen 2,3 jeweils ihre l^ge an der Hypotenusenfläche des Grundprismas 1 vertauschen, indem die Porro-Prismen zweiter Art jedes Typs 1 und Il jeweils eine Typenreihe bilden, in der die Rechteckprismen 2, 3 in einer Linie nebeneinanderliegend angeordnet sind. Die Hypotenusenflächen 2a und 3n der Rechteckprismen 2 und 3 der beiden um ein Rechlcckprisma 2, 3 zueinander versetzten Typenreihen liegen aufeinander.

Wenn man also die Type Il des Porro-Prismas zweiter Art (siehe Fig.2) um einen Winkel von 180° in Richtung des Pfeils 8 dreht, liegen die einzelnen Typen I und Il einander auf die aus F i g. 3 ersichtliche Weise gegenüber, d. h, die beiden Typen 1 und'!! von Porro-Prismen /weiter Art sind zu einem Raster zusammengefaßt, bei dem das Rechteckprisma 2 eines Rasters jeweils dem Rcchtcckprisma 3 des anderen Rasters gegenüberliegt, wie man aus F i g. 3 erkennt.

Bei diesem optischen Abbildungssystem haben die beiden Rechteckprismen 2 und 3 dieselbe Größe, wobei der Flächeninhalt einer Fläche des Rechteckprismas jeweils der Hälfte der Hypotenusenfläche des Grundprisniiis I entspricht.

Da die beiden Raster der beiden Typen I und II jeweils um ein Rechteckprisma zueinander versetzt angeordnet sind, werden die Lichtverteilungsphasen der Porro-Prismen zweiter Art jeweils um eine halbe Periode zueinander verschoben, s'j daß sich die maximale Dichte für die räumliche Anordnung der Porro-Prismen zweiter Art ergibt.

Die Länge der beiden kaster der beiden Typen I und Il von Porro-Prismen zweite- Art hängt von der Länge der gewünschten Abbildung ab; also beispielsweise von . der abzutastenden Zeile.

F i g. 4 zeigt ein optisches Abbildungssystem nach den Fig. 1 bis 3 zusammen mit einem abzutastenden Ge-

genstandsmuster 11 und dem daraus hergestellten Bildmuster 12; die Vorderansicht dieses optischen Abbildungssystems ist in Fig.5 und seine Seitenansicht m F ig. 6 dargestellt
In F i g. 5 deuten die ausgezogenen Linien die Bilder-

to zeugung durch die Typen I des Porro-Prismas zweiter Art und die gestrichelten Linien die Bilderzeugung durch die Typen Il des Porro-Prismas zweiter Art an. Außerdem ist in Fig.5 die Erzeugung des aufrechten, reellen Bildes aus den Pfeilen ersichtlich.

Die Typen I und II von Porro-Prismen zweiter Art können aus einem Kunstharz oder einem pjinlichen Material als einheitlicher Körper mit der gewünschten Form hergestellt werden; dabei können entweder die beiden Raster als einheitlicher Körper hergestellt und dann miteinander verbanden oder aber das gesamte Abbildungssystem als einheitlicher Körper gefertigt werden.

Die Herstellung dieses optischen Abbildungssystems aus einem Kunststoff gewährleistet eine hohe Fertigungspräzision mit hoher Produktivität bei relativ geringen Kosten.

Die Fig.7 und 8 zeigen eine modifizierte Ausführungsform eines optischen Abbildungssystems, bei der die Rechteckprismen 2 und 3 in ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform nach F i g. 4 nebeneinander angeordnet sind und einen gemeinsamen Raster 20 bilden. Auf beiden Seiten dieses Rasters sind Spiegelanordnungen 21 und 22 angeordnet, die prismenförmige, als Grundprisma 1 dienende Einschnitte haben. Die Reflexionswirkung der Spiegelanordnungen 21 und 22 erfüllt die gleiche Funktion wie die Grundprismen 1 bei der Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 6.

Wie man in F i g. 9 erkennt, kann das Raster 20 aus den Rechteckprismen 2 und 3 an seinen beiden, nebeneinandecüegenden Seitenflächen eine unterschiedliche Krümmung haben, d. h, die nach oben gerichteten Flächen der Rechteckprismen (siehe Fig.7 und 9>haben eine Krümmung R\, während die beiden Seitenflächen der Rechteckprismen eine Krümmung Rj naben. Die nach unten gerichteten Seitenflächen der Rechteckprismen haben wiederum die Krümmung R\.

Äquivalente Linsenformen für die Ausführungsformen nach den Fi g. 1 bis 9 sind aus den F i g. 10 und 11 ersichtlich, wobei die Linse nach Fig. 10 der Ausführungsform nach F i g. 6 und die Linse nach F i g. 11 der Ausführungsform nach Fig.9 entspricht. Dabei ist in Fig. 11 dr-? Krümmung R₂ = <*> (unendlich) der Ausführungsform nach F i g. 8 zugeordnet Die Auslegungsbedingungen für die Linstndurchmesser D und den Linsen-Oberflächenabstand L (der wiederum dem Abstand zwischen den Oberflächen der Prismenöffnungen entspricht) sind aus den F i g. 9 und 10 ebenfalls ersichtlich.

Die anderen Parameter, wie beispielsweise die Krümmungen Ri, Ri und die jeweiligen Brechungsindizes π der einzelnen Prismen, werden entsprechend den gestellten Anforderungen einjustiert, um eins gleichmäßige Verteilung der Lichtmenge zu erreichen; dabei muß insbesondere die Brennweite /und die Helligkeit jedes einzelnen Abbüdungselementes berücksichtigt werden.

Der Abgleich der Lichtverteilung, d. h., die Beseitigung der periodisch erzeugten Ungleichmäßigkeiten in der Lichtrnenge wird in der japanischen Patentanmeldung 55-112 490 beschrieben. Diese Ausführungen sol-

len hier nur teilweise wiederholt werden:

Wird beispielsweise die optische Abbildungseinrichtung nach den F i g. 1 bis 6 für die Abtastung einer Zeile einer Vorlage verwendet, so kann die Teilung der einzelnen Porro-Prismen zweiter Art. die zur Vergleichmä-Bigung der Lichtverteilung erforderlich ist, aus der folgenden Näherungsgleichung bestimmt werden:

l/2

\ 4

Dabei bedeuten:

y\ - den Bilddurchmesser bei einem Öffnungswirkungsgrad von 100%,

y-i » den wirksamen Bilddurchmesser (Größe) und x\ — den Abstand zwischen der ausgewählten Abtsstisgs sind dsr optischer; Achse.

F i g. 12 zeigt die Lichtverteilung und die synthetisierte, erzeugte Lichtmenge bei einem solchen optischen Abbildungssystem. Jedes Linsenäquivalent Li, Li, Lj und L», das wiederum einem Porro-Prisma zweiter Art entspricht, erzeugt eine etwa dreieckige Lichtverteilung, wie man aus Fig. 12 erkennt. Dies wird für die gleichmäßige Lichtverteilung bevorzugt.

Wenn in der obigen Gleichung x\ = 0 und y\ = 0 gelten, dann gibt ρ = yi die angemessenen Bedingungen für die gleichmäßige Lichtverteilung an. Tatsächlich kann die Lichtverteiiung Λ bis U der einzelnen Äquivalentlinsen L\ bis La, die wiederum den einzelnen Porro-Prismen zweiter Art entsprechen, gleichmäßig synthetisiert werden, wie bei h angedeutet ist.

Im folgenden werden einige Beispiele für den Aufbau eines solchen optischen Abbildungssystems angegeben:

Das Beispiel 1 entspricht einem optischen Abbildungssystem, das der Äquivalenz-Linse nach Fig. 10 entspricht; das Beispiel 2 ist auf eine optische Abbildungseinrichtung gerichtet, die der Äquivalenzlinse nach F i g. 11 entspricht.

Beispiel 1
Material: Polymethylmethacrylat {nd = 1,491)

R = 4.6

D = 3,0

P = D = 3,0

h = 93

L = 12,0

Gegenstandsweite = 2,16 Brennweite/= 8,16 Blendenöffnung 1 :1,56 MTF 60% oder mehr auf der gesamten Bildfläche (bei 4 IP/mm)

Beispiel 2
Material: Polymethylmethacrylat (nd — 1.491)

Ri
D
/i

9,8

5.0

5,8

34.0

D= 5,0

5.0

Gegenstandsweite = 36,0
Brennweite/"= 16,3
Blendenöffnung 1 :1,6
MTF 64% oder mehr auf der gesamten
Bildfläche (bei 4 IP/mm)

Ein wesentlicher Vorteil eines solchen optischen Abbildungssystems liegt darin, daß der mittlere Abschnitt jeder Prismenflächen als wirksame reflektierende l-liiehe benutzt wird; die Lichtübertragung wird also nicht durch die schwächeren Bereiche jeder Prismenflüehc beeinflußt, wodurch eine sehr gleichmäßige l.ichiverieilung gewährleistet ist.

Macht man die effektive Bildgröße yi etwas größer

als die Teilung p, d. h, tilt ρ - y], so können die Belichtungsunregelmäßigkeiten bei einer speziellen Spaltbreite, die symmetrisch zur optischen Achse ist, beseitigt werden, ohne daß eine Korrckturⁿ!uuc bcnö'.i"! wird Dies ist besonders bei einem optischen Abbildungssystern wesentlich, das eine Oberfläche einer Vorlage abtasten muß, wie es bei einem Kopiergerät der Fall ist.

Mit anderen Worten werden die periodischen Licht-Unregelmäßigkeiten in dem optischen Abbildungssystem in der Phase um von einer bestimmten Stelle aus in Richtung der Höhe der Belichtung verschoben. Durch Ausnutzung einer solchen Verschiebung werden die Unregelmäßigkeiten der Belichtung unterdrückt, so daIi die Ungleichmäßigkeiten in der Lichtmenge bei einer bestimmten Breite des Belichtungsspallcs kompensiert werden.

F i g. 13 zeigt die Anwendung eir.es solchen optischen Abbildungssystems 10 bei einer Lcsceinrichtunt;. Das optische Abbildungssystem 10. das beispielsweise den Aufbau nach den F i g. 1 bis 6 hat, ist /wischen einer parallel zu dem optischen Abbildungssystem 10 verlaufenden Kontaktg'asplattc 40 und einer Gruppe von Abtastelementen 41 angeordnet; diese Abtastelcmcntc 41 können beispielsweise durch amorphe Halbleiter-Wandler gebildet werden, die das einfallende Licht in entsprechende elektrische Signale umwandeln.

Eine zu lesende Vorlage 42 wird durch Fördcrrollcn 43 intermittierend oder kontinuierlich langsam über die Kontaktglasplatte 40 gefördert. Ein zellenförmiger Abschnitt der Vorlage 52 wird durch Lichtquellen 45 und 46, beispielsweise Licht emittierende Elemente, bestrahlt, so daß dieser zellenförmige Bereich der Vorlage über das optische Abbildungssystem 10 auf die Abiastelemente 41 projiziert wird. Die als »Bildsensor« dienenden Abtastelemente 41 sammeln dem einfallenden Licht entsprechende elektrische Ladungen, die dai.:; abgefragt und in entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden können. Die Abbildung eines zellenförmigen Bereiches der Vorlage wird also zeitlich gesteuert als elektrisches Signal abgefragt, wodurch die Vorlage »gelesen« wird. Das so gewonnene elektrische Bildsignal kann dann beispielsweise über ein Faksimile-System einem Licht emittierenden Element zugeführt werden, das beispielsweise auf elektrophotographischem Wege die Vorlage wieder herstellL

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

■ ■ 1 . ' . ■ .-■;: -■ 2

.'.;■" ■"■■■"■·-.. ; · '...■■ .... Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen ins-

^; : .. Patentansprüche: besondere auf der ..Ausnutzung der Eigenschaften von

''■■'·'.■ Porro-Prismen zweiter Art, bei der Abbildung cine Um-

L Optisches Abbildungssystem, insbesondere für kehrung von links nach rechts und von oben nach unten

ein Kopiergerät, mit Porro-Prismen zweiter Art, 5 durchzuführen, so daß durch die beanspruchte Inetnan-

der-Schachtelung mehrerer Porro-Prismen ein aufrech-

a) bei denen zwei Rechteckprismen an der Hypo- tes, reelles Bild erhalten weiden kann. Dieses Abbiltenusenfläche eines Grundprismas angeordnet dungssystem nimmt nur wenig Raum ein, da die einzelsind,: nen Porro-Primen nahe beieinander angeordnet werden

10 können; dieses Abbildungssystem ist insbesondere für

g e k e η η ζ e i c h η e t d u r c h die folgenden Merk- die zeilenweise Abtastung einer Vorlage bei einem Komale: piergerät, aber auch bei Aufzeichnungs-, Lese- und Datenverarbeitungsgeräten geeignet Aufgrund des Stratifa) zwei Typen (I, H) von Porro-Prismen zweiter iengangs der einzelnen Porro-Prismen kann auf die Ver-Art, bei denen die beiden Rechteckprismen (2, 15 wendung von Abschirmplatten verzichtet werden, was 3) jeweils ihre Lage an der Hypotenusen-Fläche ebenfalls zu dem angestrebten, kompakten Aufbau beides Grundprismas vertauschen, sind zu einem trägt
Raster zusammengefaßt, Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Aus-

c) indem die Porro-Prismen zweiter Art eines führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beilic-Typs (f, H) jeweils eine Typrenreihe bilden, in 20 genden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es der die Rechteckprismen in einer Linie neben- zeigt

einander angeordnet sind, und die Hypotenu- F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Typs

sen-Flächen (2a, Za) der Rechteckprismen (2,3) eines Porro-Prismas zweiter Art,

der beiden um ein Rechteckprisma (2,3) zuein- Fig.2 eine perspektivische Ansicht eines zweiten

ander versetzten Typenreihen aufeinanderlie- 25 Typs eines Porro-Prismas zweiter Art,

gen, und F i g. 3 eine perspektivische Ansicht der beiden Typen

d) die Ein- und Austrittsflächen (4, 5) der Porro- von Porro-Prismen zweiter Art, die einander gegen-Prismen zweiter Art (1,11) sind konvex gewölbt überliegen,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung des optischen
2. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, 30 Abbildungssystems mit einem Gegenstands-Musier und dadurch gekennzeichnet, daß {ede Typenreihe ein- einem Bild-Muster,

stückig ausgebildet und mit der anderen Typenreihe F i g. 5 eine Darstellung der Bilderzeugung mit dem

verbunden ist Abbildungssystem nach den Fi g. 3 und 4, von oben gc-
3. Optisches Abbildungssystem nach einem der sehen,

Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß 35 Fig.6 eine Darstellung der Bilderzeugung mit dem die Ein- und Austrittsflächen (4,5) unterschiedliche, Abbildungssystem nach den F i g. 3 und 4, von der Seite konvexe Krümmungen haben. gesehen,

Fig. 7 eine weitere Ausführung!»;ecm eines kompnk-

ten optischen Abbildungssystems,

40 Fig.8 eine Seitenansicht des optischen Abbildungssystems nach F i g. 7,

Die Erfindung betrifft ein optisches Abbildungssy- Fig.9 eine Seitenansicht einer abgewandelten Aus-

stem, insbesondere für ein Kopiergerät, der im Oberbe- führungsform des optischen Abbildungssystems nach griff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. F i g. 7,

Aus der japanischen Patentanmeldung Sho. 45 Fig. 10ein Auslegungsdiagramm einer Linscnanord-49-008 893 geht ein kompaktes optisches Abbildungssy- nung, die dem optischen Abbildungssystem nach F i g. 6 stern der angegebenen Gattung hervor, das Porro-Pris- äquivalent ist,

men zweiter Art verwendet, bei denen zwei Rechteck- F i g. 11 ein Auslegungsdiagramm einer Linscnanord-

prismen an der Hypotenusenfläche eines Grundprismas nung, die dem optischen Abbildungssystem nach F i g. 9

angeordnet sind. Das von diesem optischen Abbildungs- 50 äquivalent ist,

system erzeugte Bild wird jedoch umgekehrt und muß Fig. 12 eine Darstellung der Lichtmengcnvericilung

über eine Relaislinse in ein aufrechtes Bild umgewandelt und der von jedem Porro-Prisma gelieferten Lichtmcnwerden, so daß die Helligkeit, die Qualität und der Auf- ge für das erfindungsgemäßc optische Abbildungssylösungsgrad der erzeugten Abbildung zu wünschen stern und

übriglassen. 55 Fig. 13 eine Darstellung einer Ausführungsform ei-Weiterhin müssen zwischen den benachbarten Pris- ner Leseeinrichtung mit dem erfindungsgemäßen optimen Abschirmplatten angeordnet werden, um den sehen Abbildungssystem.

Übergang von Streulicht und damit ungleichmäßige Ab- Aus den F i g. 1 und 2 sind zwei Typen von Porro-Pris

bildungen zu verhindern, men zweiter Art und ihre Bilderzeugung dargestellt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, 60 Der aus F i g. I ersichtliche Typ wird im folgenden als ein kompaktes optisches Abbildungssystem der angege- »Typ I« bezeichnet, während der aus F i g. 2 ersichtliche benen Gattung zu schaffen, das ein aufrechtes, reelles Typ im folgenden als »Typ II« bezeichnet werden soll,
und helles Bild mit hohem Auflösungsvermögen liefert. Die Porro-Prismen zweiter Art der beiden Typen I

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im und Il sind so ausgebildet, daß sie in der dargestellten

kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen 65 Anordnung von links nach rechts wechselseitig umge-Merkmale gelöst. kehrt sind (d. h. rechts und links ist vertauscht).

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unter- Jedes Porro-Prisma zweiter Art besteht aus einem ;ils

ansprüchen zusammengestellt. Rechteckprisma ausgebildeten Grundprisma 1 und zwei