DE3303934C2

DE3303934C2 -

Info

Publication number: DE3303934C2
Application number: DE3303934A
Authority: DE
Inventors: Yukio Ogura
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1982-02-05
Filing date: 1983-02-05
Publication date: 1992-07-30
Also published as: DE3303934A1; US4643516A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem mit einem Halbleiterlaser, mit einer Kollimationslinse, um einen von dem Laser ausgesandten Strahl in einen im wesentlichen parallelen Strahl umzuformen, mit einem Strahlablenker zum Ablenken des Strahls in einer Hauptabtastrichtung und mit einer sammelnden Fokussierlinse zum Fokussieren des Strahls auf eine Abtastfläche, wobei eine erste und eine zweite Zylinderlinse, die nur in einer Unterabtastrichtung und einer Ablenkfläche des Strahlablenkers und zwischen der Fokussierlinse und der Abtastfläche angeordnet sind, und wobei die Ablenkfläche und die Abtastfläche bezüglich der Fokussierlinse und der zweiten Zylinderlinse in einer geometrisch-optisch konjugierten Beziehung stehen. Ein derartiges optisches Abtastsystem ist in der JP 54-49 152 A beschrieben.

Als Strahlablenker wird üblicherweise ein rotierender Polygonalspiegel verwendet. In der Praxis läßt sich hierbei nicht vermeiden, daß die reflektierenden Flächen des rotierenden Polygonalspiegels nicht exakt zu dessen Drehachse parallel liegen, sondern etwas verkantet sind; dies führt zu einer Ungleichförmigkeit des Abtastzeilenabstands. Wenn versucht wird, derartige Verkantungsfehler durch Erhöhung der Herstellungsgenauigkeit des Polygonalspiegels zu beseitigen, so ergeben sich sehr hohe Kosten.

Zur Kompensation derartiger Verkantungsfehler weist das in der JP 54-49 152 A beschriebene Abtastsystem eine sog. fallende Ausgleichsfunktion auf, bei welcher die Ablenkfläche und die Abtastfläche bezüglich der Fokussierlinse und der zweiten Zylinderlinse in einer geometrisch-optisch konjugierten Beziehung stehen. Bei dem bekannten Abtastsystem wird der Strahlfluß durch die Fokussierlinie in einen im wesentlichen parallelen Strahl umgeformt, der dann durch die Zylinderlinse mit einer kurzen Brennweite auf der Abtastfläche scharf eingestellt wird. Allerdings wird hierbei nur die Kürze der Brennweite der Zylinderlinse ausgenutzt, und aus diesem Grunde ist die Kompensationswirkung nicht vollkommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte optische Abtastsystem zu verbessern und ein optisches Abtastsystem zur Verfügung zu stellen, welches eine noch bessere Kompensationswirkung aufweist.

Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, daß ein Laserstrahl eine Gauß-Verteilung aufweist und daher seine Ausbreitung anders ist als bei der geometrischen Optik.

Wenn ein paralleler Laserstrahl auf eine Linse fällt, wird die Beziehung zwischen einem Radius ω₀ einer Strahltaille (beam waist) an einer Fokussierstelle und einem Radius ω_a des auf die Linse fallenden Strahls ausgedrückt durch

wobei λ die Wellenlänge und f die Brennweite des Objektives ist. Folglich muß der Radius eines einfallenden Strahls auf ω_a eingestellt werden, um erforderlichenfalls eine Lichtpunktgröße ω₀ zu erhalten. Aus Fig. 4 werden die folgenden Beziehungen erhalten:

wobei f die Brennweite der Linse, ω₁ der Radius der Strahltaille der Gegenstandsseite, D₁ die Position bezüglich der Linse, ω₂ der Radius der Strahltaille auf der Bildseite und D₂ deren Position ist. Folglich ist der Lichtpunktdurchmesser, der auf der Abtastfläche durch die Lichtquelle und das optische System erhalten wird, konstant festgelegt; wenn es aber zu einer Unregelmäßigkeit auf der abgebenden Seite, beispielsweise bei dem Halbleiterlaser kommt, hat dies eine Unregelmäßigkeit in der Strahl-Lichtpunktgröße auf der Abtastseite zur Folge. Aus diesem Grund ist vorgeschlagen worden, ein afokales Zoomlinsensystem o. ä. in ein optisches System einzufügen, um die Lichtpunktgröße zu steuern (siehe beispielsweise die japanische Patentanmeldung Nr. 56 779/79). Das Einbringen von zwei Satz zylindrischer, afokaler Zoomlinsen, um den Strahldurchmesser in der Haupt- und Unterabtastrichtung zu steuern, wie vorstehend beschrieben ist, erfordert eine Anzahl Zylinderlinsen, was wiederum höhere Kosten und eine größere Abtasteinrichtung zur Folge hat.

Die Aufgabe wird durch ein optisches Abtastsystem mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abtastsystems gemäß der Erfindung ist die erste Zylinderlinse als Gruppe aus einer positiven und einer negativen Zylinderlinse ausgebildet, zwischen welchen der Abstand veränderlich ist, und ein Prisma, das eine Brechkraft in der Hauptabtastrichtung aufweist, ist zwischen der Kollimationslinse und der Ablenkfläche angeordnet, so daß die Strahlabmessungen in der Haupt- und in der Unterabtastrichtung unabhängig einstellbar sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils eines Lichtstrahl-Abtastsystems gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht eines Strahlengangs in einer Hauptabtastrichtung;

Fig. 3 eine Ansicht eines Strahlengangs in einer Unterabtastrichtung;

Fig. 4 eine Erläuterungsdarstellung einer Fokussiercharakteristik eines Gaußschen Strahls;

Fig. 5 eine optische Anordnung einer Ausführungsform, welche einen Hologrammabtaster als Strahlablenker verwendet;

Fig. 6 eine optische Anordnung in einer Hauptabtastrichtung eines Lichtstrahl-Abtastsystems mit einem die Lichtfleckgröße steuernden, optischen System, und

Fig. 7 eine optische Abtastung in einer Unterabtastungsrichtung derselben.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung wird nunmehr anhand der Zeichnungen beschrieben. In Fig. 1 ist ein Hauptteil eines optischen Abtastsystems gemäß der Erfindung dargestellt. Ein Strahl von einer Lichtquelle, welche einen sogenannten Gaußschen Strahl abgibt, in dieser Ausführungsform ein Halbleiterlaser 1, wird durch eine Kollimationslinse kolliminiert und fällt auf einen Strahlablenker 4, beispielsweise einen rotierenden Polygonalspiegel. Eine konvexe Zylinderlinse 3 ist zwischen der Kollimationslinse 2 und dem Strahlablenker 4 angeordnet, und der Strahl trifft auf diesen in einer Hauptabtastrichtung als ein divergierender Strahl und in einer Unterabtastrichtung als ein kollimierender Strahl auf. Der durch eine Drehbewegung des Strahlablenkers 4 abgetastete Strahl wird auf einer in einer Hauptabtastrichtung abzutastenden Abtastfläche 7 mittels einer Fokussierlinse 5 mit einer fR-Charakteristik scharfeingestellt, wobei sich eine Strahltaille bildet, und dann mittels der konvexen Zylinderlinse 6 in einer Unterabtastrichtung auf der Abtastfläche 7 scharfeingestellt. Hier stehen die Ablenkfläche und die Abtastfläche in einer geometrisch-optisch konjugierten Beziehung bezüglich des Systems aus der Fokussierlinse 5 und der konvexen Zylinderlinse 6, um zu verhindern, daß die Lichtpunktstelle auf der abzutastenden Fläche in einer Unterabtastrichtung durch die Neigung der Ablenkfläche geändert wird.

In Fig. 2 ist ein Strahlengang in einer Hauptabtastrichtung dargestellt. Der divergierende Strahl von dem Halbleiterlaser wird von der Kollimationslinse 2 kollimiert, um einen divergierenden Strahl mit einer imaginären Strahltaille ω₂ an einer Brennpunktstelle vor der Fokussierlinse 5 auszubilden. In dem optischen System mit einem Gaußschen Strahl sind die Beziehungen wie in den oben angeführten Gleichungen (2) und (3) zwischen der Linsenbrennweite f, dem Radius ω₀ der Strahltaille auf der Gegenstandsseite, dem Radius ω₁ der Strahltaille auf der Bildseite, und den Positionen D₁ und D₂ von Strahltaillen festgesetzt.

Folglich ist der Strahl, der eine Strahltaille in dem Brennpunkt vor der Fokussierlinse 5 aufweist, d. h. an der Stelle D₁ = f, dann D₂ = f, und es tritt eine Strahltaille auf der Abtastfläche 7 in dem Brennpunkt auf der Rückseite auf. Die in dem Strahlengang angeordneten Zylinderlinsen 3 und 6 haben in dieser Richtung keine Brechkraft.

In Fig. 3 ist ein Strahlengang in einer Unterabtastrichtung dargestellt. Ein Laserstrahl wird dazu gebracht, eine imaginäre Strahltaille ω′₂ durch die Kollimationslinse 2 auszubilden. Der Strahl wird dann zur Ausbildung einer Strahltaille ω′₃ an einer Stelle hinter der Abtastfläche 7 durch die konvexe Zylinderlinse 3 mit einer entsprechenden Brechkraft in einer Unterabtastung veranlaßt. Dieser kollimierte Strahl wird dann weiter durch die Fokussierlinse 5 fokussiert, um eine Strahltaille ω′₄ auszubilden, welche durch die konvexe Zylinderlinse 6 in der gewünschten Strahltaillengröße auf der Abtastfläche 7 ausgebildet und fokussiert wird.

In diesem Fall sind bei der ersten und zweiten Zylinderlinse 3 bzw. 6 die Brechkraft und Anordnung so festgelegt, daß die gewünschte Strahltaille auf der Abtastfläche von der Lumineszenzgröße aus in einer Unterabtastrichtung ausgebildet wird. Wie in Fig. 3(b) dargestellt, stehen die Ablenkfläche und die Abtastfläche bezüglich der Fokussierlinse und der zweiten Zylinderlinse in einer geometrisch-optisch konjugierten Beziehung.

Wenn die vorstehend erwähnten Beziehungen festgesetzt sind, und die Brennkraft der jeweiligen Linsen so festgelegt ist, daß die gewünschten Strahltaillengrößen ω₅, ω′₅ auf der Abtastfläche erhalten werden können, wird ein optisches System für eine Strahlabtastung erhalten, welche eine fallende Korrekturfunktion und einen gewünschten Lichtpunktdurchmesser in der Haupt- und Unterabtastrichtung hat.

Im folgenden werden konkrete Beispiele anhand von Zahlenwerten erläutert. Die Bezugszeichen stellen folgendes dar:

In der Hauptabtastrichtung:

f₁: Brennweite der Kollimationslinse,
f₂: Brennweite der Fokussierlinse,
ω₁: Lumineszenzgrößenradius in einer Hauptabtastrichtung,
ω₂: Radius einer Strahltaille infolge der Kollimationslinse,
ω₅: Radius einer Strahltaille infolge der Fokussierlinse auf der Abtastfläche,
s₁: Länge von der Ablenkfläche zu der Fokussierlinse,
s₂: Länge von der Kollimationslinse zu der Ablenkfläche,
d₁: Länge von LD zu der Kollimationslinse,
d₂: Länge von der Kollimationslinse bis ω₂.

In der Unterabtastrichtung:

f₃: Brennweite einer ersten Zylinderlinse,
f₄: Brennweite einer zweiten Zylinderlinse,
ω′₁: Lumineszenzgrößenradius in einer Unterabtastrichtung,
ω′₂: Radius einer Strahltaille infolge der Kollimationslinse,
ω′₃: Radius einer Strahltaille infolge der ersten Zylinderlinse,
ω′₄: Radius einer Strahltaille infolge der Fokussierlinse;
ω′₅: Radius einer Strahltaille auf der Abtastfläche infolge der zweiten Zylinderlinse,
s₃: Länge von der Kollimationslinse zur ersten Zylinderlinse,
d′₂: Länge von der Kollimationslinse zu ω′₂,
d′₃: d′₃ = s₃-d′₂,
d′₄: Länge von der ersten Zylinderlinse zu ω′₃,
d′₅: d′₅ = d′₄-(s₂-s₃) - s₁ ,
d′₆: Länge von der Kollimationslinse zu ω′₄,
d′₇: Länge von ω′₄ zur zweiten Zylinderlinse,
d′_s: Länge von der zweiten Zylinderlinse zu der Abtastfläche d′₆ + d′₇ + d′₈ = f₂.

Für die Fokussierlinse wird eine fR-Linse mit f₂ = 271,3 und s₁ = 93,58 verwendet, wobei die Strahllichtpunktgrößen auf der Abtastfläche ω₅ = 0,0525 und ω′₅ = 0,06 sind. Die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers ist λ = 780 nm und die Lumineszenz- oder Leuchtgröße ist 1 × 2 µm.

In der Ausführungsform 1 ist die Länge s₂ von der Kollimationslinse 2 zu der Ablenkfläche 4 klein, um das Abtastsystem kompakt ausführen zu können. Da in der Ausführungsform 2 der Halbleiterlinse einen großen Strahlwinkel hat, kommt es in der Kollimationslinse 2 zu einer Vignettierung, und es wird angenommen, daß die Strahltaillen ω₂ und ω′₂ infolge der Kollimationslinse das Zweifache eines in Gl. (1) wiedergegebenen, theoretischen Werts haben. In der Ausführungsform 3 ist die Länge von der Kollimationslinse 2 zu dem Strahlablenker groß. In der Ausführungsform 4 ist der Halbleiterlaser um 90° gedreht, und dessen aktive Schicht wird an einer zu der Hauptabtastfläche parallelen Stelle verwendet.

In Fig. 5 ist ein Beispiel dargestellt, in welchem ein Hologrammabtaster 8 als Strahlablenker verwendet ist, wobei die Bezugszeichen denen in Fig. 1 entsprechen. Ferner ist ein reflektierender Spiegel 9 vorgesehen. Die in Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen zeigen ein Beispiel eines Abtasters mit einem optischen System zum Steuern der Größe eines Strahlenlichtpunktes. In der in Fig. 6 dargestellten Hauptabtastrichtung ist ein Halbleiterlaser 11 in der Nähe eines Brennpunktes einer Kollimationslinse 12 angeordnet, und von dem Halbleiterlaser 11 austretendes Licht wird an der Kollimationslinse in einen im wesentlichen parallelen Strahl umgeformt. Erste Zylinderlinsen 13 und 14 haben in dieser Richtung keine Brechkraft und beeinflussen dadurch den Strahl nicht. Als nächstes fällt dann der Strahl auf ein Prisma 15, und bekanntlich wird das austretende Licht in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel an dem Prisma bezüglich der Strahlbreite verändert. Dieses austretende Licht wird über eine Ablenkfläche 16, wie beispielsweise einen rotierenden Polygonalspiegel, durch eine zur Bilderzeugung vorgesehene fR-Linse 17 auf einer abzutastenden Oberfläche in Form eines Lichtpunkts ausgebildet.

Vorzugsweise ist das Prisma zum Einstellen der Strahlbreite drehbar. In diesem Fall werden der Halbleiterlaser 11, die Kollimationslinse 12, und die ersten Zylinderlinsen 13 und 14 zusammen gedreht, so daß der Strahl immer auf dieselbe Stelle der Ablenkfläche auftrifft, selbst wenn das Prisma gedreht wird.

In der in Fig. 7 dargestellten Unterabtastrichtung wird der Strahl von dem Halbleiterlaser, der in der Nähe des Brennpunkts der Kollimationslinse angeordnet ist, in Form eines im wesentlichen parallelen Strahls von der Kollimationslinse, in ähnlicher Weise wie in der Hauptabtastrichtung, abgegeben. Als nächstes wird eine Strahltaille durch eine Gruppe der ersten Zylinderlinsen 13 und 14 in der Nähe oder auf der Rückseite der Abtastfläche 9 ausgebildet. Dann geht der Strahl durch das Prisma 15 hindurch, ohne jedoch in dieser Richtung beeinflußt zu werden. Eine Strahltaille wird durch die Kollimationslinse vor der Abtastfläche ausgebildet und an der Ablenkfläche 6 reflektiert und abgelenkt. Schließlich wird auf die gewünschte Weise ein Strahllichtpunkt durch eine zweite Zylinderlinse 18, die auf der Vorderseite der Abtastfläche 19 angeordnet ist, auf der Abtastfläche 19 ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt stehen dann die Ablenkfläche 16 und die Abtastfläche 19 in einer geometrisch-optisch konjugierten Beziehung zu der Fokussierlinse 7 und der zweiten Zylinderlinse 8 und folglich kann eine Strahlverschiebung, die sich aus dem Flächenabfallen der Ablenkfläche ergibt, bekanntlich korrigiert werden.

In dieser Ausführungsform ist die erste Zylinderlinse in eine konvexe Linse 13 und eine konkave Linse 14 aufgeteilt, und der Abstand zwischen den beiden Linsen wird geändert, um die Brennweite der ersten Zylinderlinse zu ändern, um dadurch Unregelmäßigkeiten in der Lumineszenz- oder Leuchtgröße des Halbleiterlasers aufzufangen. Gleichzeitig kann auch die Stellung der zweiten Zylinderlinse 18 erforderlichenfalls feineingestellt werden.

Konkrete Beispiele eines derartigen optischen Abtastsystems werden mit Hilfe von Zahlenwerten näher erläutert:
Die Brennweite der Kollimationslinse 12 ist 5 mm und die Brennweite der fR-Linse ist 301 mm. Es wird ein Halbleiterlaser mit einer Lumineszenz- oder Leuchtgröße von 1 × 2 µm und einer Schwingungswellenlänge von 780 nm verwendet. Der Strahllichtpunkt weist Abmessungen in einer Hauptabtastung von 105 µm und in einer Unterabtastrichtung von 120 µm auf.

In diesem Fall beträgt in der Unterabtastrichtung die Entfernung von der Kollimationslinse 12 zu der fR-Linse 17 202 mm, und eine erste Zylinderlinse mit einer Brennweite von 3039,0 mm ist 10 mm von der Kollimationslinse angeordnet. Dann geht der Strahl von dem Halbleiterlaser, der an der Brennpunktstelle der Kollimationslinse angeordnet ist, durch die fR-Linse hindurch, hinter der eine Strahltaille an einer Stelle etwa 29 mm vor der Abtastfläche ausgebildet wird. Wenn die zweite Zylinderlinse 18 mit einer Brennweite von etwa 14 mm an einer Stelle ungefähr 14,5 mm vor der Abtastfläche angeordnet ist, wird ein Strahllichtpunkt von 120 µm auf der Abtastfläche erhalten. Gleichzeitig ist die Ablenkfläche 102 mm von der fR-Linse entfernt angeordnet und steht in einer geometrisch-optisch konjugierten Beziehung zu der fR-Linse und der zweiten Zylinderlinse. Wenn dagegen in der Hauptabtastrichtung das austretende Licht von der Kollimationslinse 12 durch die Strahlbreitenumsetzung durch das Prisma 15 auf die fR-Linse 17 als ein Strahl mit einer Breite von 2,85 mm auftrifft, wird eine Leuchtpunktgröße von 105 µm auf der Abtastfläche erhalten.

Wie vorstehend beschrieben, wird bei dieser Ausführungsform ein Prisma in einer Hauptabtastrichtung verwendet, in welcher nur die Strahlbreite eingestellt wird, und eine Zylinderlinse ist in je eine konkave und konvexe Zylinderlinse in einer Unterabtastrichtung aufgeteilt, in welcher auch eine derartige Position einer Strahltaille erforderlich ist, daß der Abstand dazwischen geändert werden kann, um dadurch die sich ergebende Brennweite zu ändern. Bei dieser Anordnung können Leuchtpunktgrößen in der Haupt- und Unterabtastrichtung durch ein äußerst einfaches optisches System auf der Abtastfläche einzeln eingestellt werden.

Claims

1. Optisches Abtastsystem mit einem Halbleiterlaser, mit einer Kollimationslinse, um einen von dem Laser ausgesandten Strahl in einen im wesentlichen parallelen Strahl umzuformen, mit einem Strahlablenker zum Ablenken des Strahls in einer Hauptabtastrichtung und mit einer sammelnden Fokussierlinse zum Fokussieren des Strahls auf eine Abtastfläche, wobei eine erste und eine zweite Zylinderlinse, die nur in einer Unterabtastrichtung eine Brechkraft aufweisen, zwischen der Kollimationslinse und einer Ablenkfläche des Strahlablenkers und zwischen der Fokussierlinse und der Abtastfläche angeordnet sind, und wobei die Ablenkfläche und die Abtastfläche bezüglich der Fokussierlinse und der zweiten Zylinderlinse in einer geometrisch-optisch konjugierten Beziehung stehen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kollimationslinse (2) und die erste Zylinderlinse (3) derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie für sich genommen eine Strahltaille des Strahls hinter der Abtastfläche (7) erzeugen,
daß sie in Verbindung mit der Fokussierlinse (5) eine Strahltaille vor der Abtastfläche (7) erzeugen,
und daß die zweite Zylinderlinse (6) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß durch sie die letztgenannte Strahltaille auf der Abtastfläche (7) abgebildet wird.

2. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zylinderlinse als Gruppe aus einer positiven und einer negativen Zylinderlinse (13, 14) ausgebildet ist, zwischen welchen der Abstand veränderlich ist, und daß ein Prisma (15), das eine Brechkraft in der Hauptabtastrichtung aufweist, zwischen der Kollimationslinse (2) und der Ablenkfläche (6) angeordnet ist, so daß die Strahlabmessungen in der Haupt- und in der Unterabtastrichtung unabhängig einstellbar sind.