DE3317538C2

DE3317538C2 - Optisches Abtastsystem

Info

Publication number: DE3317538C2
Application number: DE3317538A
Authority: DE
Inventors: Yoshifumi Hitachi Homma; Keiji Kawagoe Kataoka; Yoshifumi Katsuta Ono; Kimio Kobunji Tatsuno
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1982-05-19
Filing date: 1983-05-13
Publication date: 1986-10-16
Also published as: JPS58200214A; US4620768A; DE3317538A1

Abstract

Optisches Abtastsystem, bei welchem ein Lichtstrahl von einer Laserquelle durch einen Polygondrehspiegel reflektiert und durch eine Abtastlinse auf einer Trommeloberfläche zu einem Abtaststrahlenpunkt fokussiert wird. Eine Zylinderlinse, die zwischen der Abtastlinse und der Trommel zur Korrektur der Unebenheit der Abtastliniensteigung angeordnet ist, welche durch die Neigung jeder Facette des Polygonspiegels verursacht wird, hat eine Krümmung in Abtastrichtung des Strahls, so daß optimale Brennpunkte des Abtaststrahlenpunktes auf einer Geraden ausgerichtet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem, welches insbesondere in Laserstrahldrukkern und Laserstrahlabtastern verwendet werden kann, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wie bekannt.

Dieses bekannte Abtastsystem verursacht jedoch eine Bildfeldwölbung, wie sie später im einzelnen unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 5 erläutert wird. In der mittleren Position der Abtastfläche wird ein Abtaststrahl scharf in einem Punkt fokussiert. An den Rändern der Abtastfläche besteht jedoch ein unterschiedlicher Abstand zwischen dem scharf fokussierten Punkt des Abtaststrahls und den Endteilen der Zylinderlinse. Wenn der Abtaststrahl einen kleinen Punktdurchmesser aufweist, um das Auflösungsvermögen zu erhöhen, wird die Schärfentiefe geringer und die Veränderung des Punktdurchmessers auf der Abtastfläche erhöht sich. Wenn der Punkt im Mittelpunkt der Abtastfläche genau fokussiert ist. aber in den Endteilen auf der gleichen Abtastzeile nicht fokussiert ist, ergibt sich daher eine mangelnde Gleichförmigkeit des Auflösungsvermögens über den Abtastbereich.

Um dieses Problem zu lösen, ist aus der US-PS 37 50 189 ein optisches Abtastsystem der vorliegenden Art bekannt, bei welchem eine Zylinderlinse zwischen dem Polygondrehspiegel und der Fokussierungslinse durch eine torische Linse ersetzt wird, deren konkave Seite zum Polygondrehspiegel hin gerichtet ist. Diese torische Linse, welche in der DE-OS 29 11 528 auch als bogenförmige Zylinderlinse bezeichnet wird, weist eine sehr starke Krümmung auf, welche optische Störungen und einen großen Herstellungsaufwand mit sich bringt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches Abtastsystem der eingangs genannten Art mit einem einheitlichen Abtastpunkt, d. h. einem gleichförmigen Auflösungsvermögen im gesamten Abtastbereich zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem optischen Abtastsystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Brennpunkte der Abtaststrahlen sind erfindungsgemäß längs einer Geraden ausgerichtet, wodurch die Bildfeldwölbung korrigiert und eine konstante Punktgröße im gesamten Abtastbereich erzielt wird.

Nachfolgend wird der Stand der Technik und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

ίο Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung der Anordnung des bekannten optischen Abtastsystems,

Fig.2 bis 5 graphische Darstellungen zur Erläuterung einiger vorbereitender Arbeiten für die vorliegende Erfindung, insbesondere

Fig.2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des durch die Zylinderlinse beeinflußten Abtaststrahls,

Fig.3 eine Seitenansicht der Linsen/Strahlenbeziehung, gezeigt in F i g. 2,
Fig.4 und 5 graphische Darstellungen zur Erläuterung der Bildfeldwölbung im Falle einer großen und einer kleinen Schärfentiefe,

Fig.6 eine graphische Darstellung der Anordnung des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems, und
F i g. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer gewünschten Krümmung der erfindungsgemäßen Zylinderlinse.

Zunächst werden einige optische Systeme unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 5 beschrieben. In F i g. 1 ist kurz die Anordnung konventioneller Laserdrucker gezeigt. Eine Laserquelle 1 erzeugt einen Laserstrahl, der durch einen Polygonspiegel 2 (der sich in Richtung des Pfeiles dreht) reflektiert und durch eine Abtastlinse 3 fokussiert wird, um auf der Oberfläche einer Trommel 4 einen Lichtpunkt oder Lichtfleck zu bilden. Zwischen der Abtastlinse 3 und der Trommel 4 ist eine Zylinderlinse 5, die längs in Abtastrichtung angeordnet ist, vorgesehen, welche dazu dient, die Unebenheit der Abtastzeilensteigung auf der Trommeloberfläche, welche durch die Neigung einer jeden Facette des Polygonspiegels, wie oben erwähnt, verursacht wird, zu korrigieren. Eine solche Anordnung einer Zylinderlinse verursacht jedoch ein neues Problem, d. h. die Bildfeldwölbung. Dieses Phänomen wird nunmehr in Verbindung mit F i g. 2 beschrieben.

Die normalerweise verwendete Zylinderlinse ist gerade geformt. Wenn der Abtastwinkel <9des Strahles vom Mittelpunkt einer Abtastung ansteigt, erhöht sich daher der Abstand zwischen der Zylinderlinse 5 und der Trommeloberfläche 4 längs der Strahlenachse, d. h. von ro auf /Ό + Δ wie in F i g. 2 gezeigt. Andererseits hat, von seitlicher Richtung aus gesehen, der Abtaststrahl auf der Zylinderlinse einen konstanten Einfallswinkel ^(normalerweise φ = 0) für die Abtastoperation in einer Ebene senkrecht zur Abtastoberfläche, wie in F i g. 3 gezeigt ist. Der optimale Brennpunkt ist daher für einen großen Abtastwinkel Θ aus der Abtastfläche in Richtung zur Zylinderlinse hin verschoben. Im allgemeinen wird die Bildfläche durch Aufzeichnen der optimalen Brennpunkte gebildet. Die Verschiebung der Brennpunkte ergibt daher die Krümmung der Bildfläche.

Diese nachteiligen Wirkungen der gekrümmten Bildfläche werden im einzelnen beschrieben. In Fig.4 ist der Fall gezeigt, in welchem der Abtaststrahl einen relativ großen Punkt bzw. Fleck ergibt. Die Schärfentiefe ist hierbei groß, nämlich ö\. Wenn die Abtastlinie auf eine Stellung A eingestellt ist, sind alle Brennpunkte, welche durch zufällige Abtastwinkel erzeugt werden, im Bereich der Schärfentiefe angeordnet und die Variation in

der Punktgröße im Abtastbereich ist klein. Selbst in diesem Falle erlaubt jedoch die gekrümmte Bildfläche oine geringere mechanische Toleranz in der Abweichung der Abtastlinie in Richtung der optischen Achse. Eine sehr genaue Positionierung der Trommel ist erforderlich.

In F i g. 5 ist der Fall gezeigt, in welchem der Strahlenpunkt zur Erhöhung des Auflösungsvermögens kleiner gemacht ist In diesem Falle ist die Schärfentiefe klein, d. h. O2, woraus sich eine erhebliche Wirkung der gekrümmten Bildfläche ergibt. Ein konstanter Strahlenpunkt auf der gesamten Abtastlinie kann durch Auswahl irgendeiner Abtastlinie A nicht mehr erreicht werden.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird ein Strahlenpunkt konstanten Durchmessers über den gesamten Abtastbereich erreicht mit Hilfe einer gekrümmten Zylinderlinse, so daß die Bildfläche, d. h. die Bahn der optimalen Brennpunkte eine Gerade bildet. Die Zylinderlinse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist kurvenmäßig derart geformt, daß die Strecke η auf einer beliebigen Strahlenachse zwischen der Zylinderlinse und der Trommeloberfläche im wesentlichen konstant ist, wie in F i g. 6 gezeigt ist.

Wie in F i g. 2 gezeigt ist, ergibt sich die Verschiebung im Brennpunktbild durch folgende Gleichung:

Λ = r_a (—^l—) - 1 (D

wobei θ der Abtastwinkel ist.

Wie in F i g. 7 gezeigt ist, erhält man durch Krümmung der Zylinderlinse gemäß Gleichung (1) eine gerade Abtastlinie. Das heißt, die Position der Hauptebene f/der Zylinderlinse wird von der gestrichelten Linie 1 in Richtung auf die Trommeloberfläche 4 um einen Abstand Δ verschoben, welcher längs jedes Strahlenweges durch die Gleichung (1) bestimmt ist. Die Linie 1 verläuft senkrecht zur zentralen Strahlenachse B im Mittelpunkt des Abtastbereichs. Wenn z. B. η = 60 mm und 0=13° sind, ergibt sich ein maximaler Verschiebungswert von Δ= 1,6 mm.

Die durch Gleichung (1) gegebene Kurve ist nicht kreisförmig. Sie kann durch Bearbeitung eines metallischen, z. B. aus Aluminium bestehenden Trägers unter numerischer Steuerung unter Bezugnahme auf Gleichung (1) und durch Aufpressen einer Kunststoffzylinderlinse auf den Träger hergestellt werden. Zur Erleichterung der numerischen Steuerung ist es auch möglich, die Krümmungs- bzw. Kreisradien zu berechnen, welche die durch Gleichung (1) gegebene Kurve annähern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Optisches Abtastsystem mit einer Einrichtung zum Reflektieren eines Lichtstrahls durch einen Polygondrehspiegel zur Erzeugung eines Abtastlichtstrahls, einer Linse zur Fokussierung des Lichtstrahls auf einer Abtastfläche und einer Zylinderlinse, welche zwischen der Abtastfläche und der fokussierenden Linse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (5) eine derartige Krümmung aufweist, daß sie zu ihren Enden hin einen sich verringernden Abstand von der Abtastfläche (4) aufweist

2. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtweg (r\) zwischen Abtastfläche (4) und Zylinderlinse (5) entlang deren gesamten Länge im wesentlichen konstant ist.

3. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (5) aus Kunststoff besteht

4. Optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der fokussierenden Linse (3) kommende Lichtstrahl in einer Ebene senkrecht zur Abtastrichtung im wesentlichen parallel ist.