DE3340726A1

DE3340726A1 - Lichtabtastvorrichtung mit linsen

Info

Publication number: DE3340726A1
Application number: DE19833340726
Authority: DE
Inventors: Keiji Kawagoe Saitama Kataoka
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1982-11-10
Filing date: 1983-11-10
Publication date: 1984-05-10
Also published as: JPS5987425A; JPH0454928B2; DE3340726C2; US4621892A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo Hitachi Koki Co., Ltd. Japan Tokyo, Japan

Lichtabtastvorrichtung mit Linsen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtabtastvorrichtung mit Linsen, die eine mit Laserlicht bestrahlte Abtastebene abtastet.

Bisher wird mit Lichtabtastvorrichtungen wie Laserdruckern, Laserlesegeräten u. dgl. eine Abtastoptik mit einem umlaufenden Polygonalspiegel gemäß Fig. 1 verwendet. Der Polygonalspiegel 1 läuft in Richtung eines Pfeils A um und tastet auf einen Schirm 3 auftreffendes Laserlicht 4 ab. Eine Linse 2 dient zur Kontraktion des Laserlichts zu einem winzigen Lichtpunkt.

Der umlaufende Polygonalspiegel 1 besteht aus einer Mehrzahl von hochverspiegelten Reflektoren 1-1, aber die Verspiegelungspräzision und die Richtungsgenauigkeit jeder Spiegelfläche relativ zu einer Rotationsachse müssen derart hoch sein, daß die Vorrichtung notwendigerweise sehr teuer ist.

Ferner ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Hologramm auf einer umlaufenden Scheibe angeordnet ist ("Holographie

Grating Scanners With Aberration Corrections⁶' von W.H. Lee, Applied Optics,, Bd₀ 1 β „ Wr₀ 5, S₀ 1,392 (1977)). Das eine rauhe Oberfläche aufweisende Hologramm ist hinsichtlich eines Beugungs-Wirkungsgrads von 30 % oder darunter etwas problematisch, und ein räumliches Hologramm hat zwar einen hohen Beugungs-Wirkungsgrad,, aber die für die Struktur des Hologramms verwendete Dichromatgelatine ist nicht ausreichend feuchtebeständig, was für die Handhabung unannehmbar ist =

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Lichtabtastvorrichtung, bei der die Probleme des Standes der Technik beseitigt sind und die bei hohem Wirkungsgrad kostengünstig und leicht handhabbar ist.

Bei der Lichtabtstvorrichtung nach der Erfindung wird eine Mehrzahl Linsen? die auf einer umlaufenden Scheibe angeordnet sind, als Abtastvorrichtung für die Laserlichtabtastung nacheinander in den Strahlengang eines Laserlichtstrahls gebracht, und wenigstens eine Linsenfläche der Linsen ist eine asphärische Fläche,, so daß eine Kontraktion des Laserabtastlichts zu einem winzigen Lichtpunkt erfolgen kann. Die Verwendung einer Kunststofflinse, die auf einer Form durch Kopieren massengefertigt werden kann, bietet die Möglichkeit, die Lichtabtastvorrichtung mit hohem optischem Wirkungsgrad und kostengünstig herzustellen»

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläuterte Es zeigens

Fig ο 1 eine Perspektivansicht einer konventionellen Lichtabtastvorrichtungi

Fig. 2 die Verschiebung eines Bildpunkts auf einem

Bildschirm, wenn ein einfallender Laserstrahl relativ zur optischen Achse versetzt ist; Fig. 3 eine Lichtabtast-Charakteristik, wenn Laserlicht auf eine Linse auf einer umlaufenden Scheibe auftrifft;

Fig. 4 spiralförmig auf einer umlaufenden Scheibe und 5 angeordnete Linsen bzw. ein zweidimensionales Lichtabtastmuster, das durch Bestrahlen der Scheibe mit Laserlicht erhalten wird; die Bestimmung der Krümmung einer Linse, die in einer Lichtabtastvorrichtung verwendet wird;

einen Aberrationskoeffizienten bei Änderung der Oberflächenkrümmung einer dünnen Linse; . eine asphärische Oberflächenkrümmung einer Linse;

die Streuung eines Lichtpunkts gegenüber einem Bildschirmabtastpunkt, wenn die Linsenkrümmung bestimmt wird;

eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der Erfindung;

die Korrektur einer Abtastzeilenkrümmung der auf einer umlaufenden Scheibe angeordneten Linse;
Fig. 13 eine Perspektivansicht einer weiteren AusführungsfoYm der Erfindung;

Fig. 14 die Bestimmung der Krümmung einer Linse, die und 15 mit einer Lichtabtastvorrichtung gemäß einer

weiteren Ausführungsform verwendet wird; Fig. 16 die Streuung eines Lichtflecks gegenüber bis 19 einem Bildschirmabtastpunkt bei einer weiteren Ausfuhrungsform.

Fig.	6
und	7
Fig.	8
Fig.	9
Fig.	10
Fig.	11
Fig.	12

Es soll zuerst das hier angewandte Grundprinzip erläutert werden»

Fig« 2 zeigt eine grundlegende Beziehung„ bei der ein Laserstrahl 4 mit einem Konvergenzpunkt bei C auf eine auf einer umlaufenden Scheibe angeordnete Linse fällt. Es sei angenommen„ daß die Mitte einer Linse 5 mit D bezeichnet wird und daß die Linse 5 in y-Richtung um y« relativ zu einer optischen Achse des einfallenden Laserlichts verschoben wird ο Dann ist ein Bilderzeugungspunkt des aus der Linse 5 auf einen Schirm 7 austretenden Laserlichts β ungefähr;

= m

Die Brennweite der Linse 5 ist mit f und der Abstand zwischen der Linse 5 und dem Schirm mit mf bezeichnet,, Infolge dessen ist auf dem Schirm 7 eine Lichtabtastung, deren Breite um das m-faehe größer als eine Parallelverschiebung der Linse 5 ist? zu erhalten» D. h., es kann eine Lichtabtastvorrichtung realisiert werden, diet- ausgehend von einer kleinen Linsen-Parallelverschiebung y_ni, einen weiten Bereich abtasten kann» Zur Parallelverschiebung der Linse wird die Scheibe mit der darauf angeordneten Linse gedreht. Die Linse ist auf der Scheibe entweder auf dem gleichen Umfang oder spiralförmig angeordnete

Pig_o 3 zeigt eine Lichtabtast-Charakteristik, wenn das Laserlicht 4 auf die auf der Scheibe 8 befindliche Linse 5 fällto

Es sei angenommen,, daß sich die Linse 5 unter einem Winkel © um die Mitte O, der Scheibe dreht. Dann verschiebt

sich die Mitte der Linse 5 von O¹ nach 0. Das Laserlicht trifft auf und weicht in diesem Fall vom Punkt 0 um den Betrag e ab.

Abtastpunkte (Y., Z^) auf einer Bildebene 7 können durch die folgenden Gleichungen erhalten werden:

Y₁ = mR sin θ (1 )

Z₁ = (1 - m)e - mR(1 - cosO) (2)

wobei R der Abstand vom Rotationsmittelpunkt 0, der Scheibe zum Linsenmittelpunkt ist.

Wie aus der Gleichung (2) hervorgeht, ist Z. eine Funktion von Θ, und somit ist die Abtastzeile nicht linear, sondern gekrümmt entsprechend Fig. 3.

Wenn mehrere Linsen einer Charakteristik auf der umlaufenden Scheibe auf demselben umfang angeordnet sind, wird e für sämtliche Linsen in Gleichung (2) konstant, und daher sind die Lichtabtastzeilen jeder Linse zwar gekrümmt, gelangen aber auf denselben Punkt.

Um eine nahezu lineare Lichtabtastzeile zu erzeugen, sollte zwischen der Scheibe und der Bildebene eine Zylinderlinse angeordnet werden. Die so erhaltene Charakteristik wird später noch erläutert.

Fig. 4 zeigt den Fall, in dem die Linsen wendelförmig auf der Scheibe angeordnet sind. Mittelpunkte O₁, O₀, ... der Linsen 5^, 5₂ ... liegen auf einer wendeiförmigen Kurve, wobei sich der Abstand R vom Rotationsmittelpunkt

der Scheibe kontinuierlich ändert» Fig 5 zeigt ein zweidimensionales Lichtabtastmuster 9„ das durch Bestrahlen der umlaufenden Scheibe von Fig„ 4 mit Laserlicht erhalten wird. Abtastzeilen 9'„„ 92 ? 9g „_aa werden jeweils erzeugt, wenn die Scheibe umläuft und das Laserlicht 4 die Linsen δ., , $2? 5g ο «ο sequentiell bestrahlt»

Damit die mit Linsen bestückte Lichtabtastvorrichtung zur Abtastung eines ausreichend kleinen Lichtpunkts auf der Bildebene mit einer vorbestimmten Abtastbreite fähig ist, müssen die auf der Scheibe angeordneten Linsen eine erwünschte Charakteristik aufweisen. Für jede auf der umlaufenden Scheibe befindliche Linse ist ein einfacher Aufbau erwünscht„ somit wird gemäß der Erfindung eine einfache Linse verwendet. Wie jedoch noch unter Bezugnahme auf Beispiele erläutert wird, kann die Einzellinse mit sphärischer Krümmung die erwünschte Charakteristik nicht aufweisen. Infolgedessen wird gemäß der Erfindung eine asphärische Linse verwendet,, wobei x-jenigstens eine Linsenfläche der Einzellinse in Form einer asphärischen Fläche vorliegt.

Wachstehend werden nunmehr Äusfuhrungsbeispiele beschrieben.

Zuerst wird gemäß Fig_o 6 eine mit der Lichtabtastvorrichtung zu verwendende Linsenkrümmung bestimmt,,

In Fig_o 6 sei angenommen₇ daß ein Objektpunkt C in y-Richtung von einer optischen Achse ii der Linse 5. um y_Q verschoben ist» In diesem Fall ist ein Halbbildwinkel durch kj gegeben» Fig. 7 zeigt eine Hauptebene H auf der Objektseite der Linse 5.„ die mit einem Lichtmuster bestrahlt wird» Dabei sind y" und π" Achsen? die um einen Schnittpunkt

- ίο -

M eines Hauptstrahls 24 des die Hauptebene H der Objektseite der Linse 5. bestrahlenden Lichts und der Hauptebene H verlaufen.

Ein Einfallspunkt P des Laserlichts auf die Hauptebene H ist durch Polarkoordinaten R, φ bezeichnet.

Wenn die Lichtstärke F zum Verkleinern auf einen diametralen Lichtpunkt von 200 pm mit F = 250 auf dem Schirm 7 eingestellt ist, wird ein Strahlradius R der Hauptebene H der Objektseite der Linse 5. durch den folgenden Ausdruck bestimmt:

-^JL = 250.
2R

Bei dem optischen System von Fig. 6 sind die seitlichen Aberrationen Ay, Az des Strahls in Meridionalrichtung (y-Richtung) und in Sagittalrichtung (z-Richtung) aufgrund der Aberrationsexpansion dritter Ordnung durch die folgenden Gleichungen gegeben:

13 2

Ay = t {IR cos φ + II tan o)R (2 + cos 2φ)

- 2~

+ (31II ·+ P) tan²coR cos φ + V tan³cü} (3)

- J-J- {IR sin 0 + 11 tan ü)R sin 2φ

+ (III + P) tan² u)R sin φ} (4)

mit I = sphärische Aberration,

II = Koma-Aberration,

III = astigmatische Aberration,

P = Petzval-Summe,

V = Verzeichnungs-Aberration und

o( · = ein Koeffizient.

Wenn Ay, £^.·ζ bis zu 200 pm zulässig sind, werden Werte der zulässigen Aberrations-Koeffizienten I, II und III erhalten (Die Verzeichnungs-Äberration V wird vernachlässigt, da sie keinen Einfluß auf die Auflösung hat.) Jedoch gilt: Objektivbrennweite f = 60 mm, Abtastvergrößerung m = 10, HaIbbildwinkel eO = 10° und F = 250„ Dann ergibt sich der vorgenannte Koeffizient Oi" mit näherungsweise 1/mf. Wenn infolgedessen f = 1, dann werden die Werte in der normalisierten Form wie folgt wiedergegeben;

|I| = 41=67 (5)

. fill - 1.6 · (6)

= 0J8 (7)

Da der zulässige Grenzwert der sphärischen Aberration I groß ist, wird aus dem obigen Ergebnis angenommen, daß die Koma-Aberration II sowie die astigmatische Aberration III den folgenden Ausdrucken genügen;

H = O (8)

III = 0 (9).

Fig_o 8 zeigt ein Ergebnis, das durch Errechnen eines Werts des Aberrations-Koeffizienten aufgrund der Aberrationstheorie erhalten wird, wenn die Oberflächenkrümmung einer dünnen Einzellinse (oder einer virtuellen Linse, deren Dicke an mittlerer Stelle Λ hinsichtlich der Brechzahl liegt) 9, die eine sphärische Oberfläche hat, geändert wird. In der Zeichnung ist y* ein Krümmungsradius an der Linsenvorderseite, und die Brennweite der Linse ist mit 1 normalisiert.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Koma-Aberration II und die astigmatische Aberration III die Soll-Spezifikation gemäß den Gleichungen (6), (7) nicht vollständig erfüllen sollen.

Zur Lösung des vorher angesprochenen Problems wird für die Linsenkrummung eine asphärische Fläche verwendet.

Eine asphärische Fläche v> kann durch die folgenden Ausdrükke (10) oder (11) gemäß der Definition von Fig. 9 gegeben werden:

^x~v = Y~v ^{1 * ^l^)l/Z} ⁺ Vv* ⁺ Vv* ⁽¹⁰⁾ Yy -

In Fig. 6 sind jedoch, ausgehend von einem Scheitel der Linse, die Koordinaten auf der Linsenoberfläche (X^, YJ;, Zj. Ferner sind in der Gleichung (10) H^ = Y^ + z^, und A^, Bp asphärische Koeffizienten, die die Abweichung von einer Referenz-Sphäre bezeichnen, und yJJ ist ein Krümmungsradius der asphärischen Fläche ¹J .

x~ = ~- H 2 + i(-^y + b ) H * (11)

mit y = ein paraxialer Krümmungsradius, bv) = ein asphärischer Koeffizient,

und es gilt die folgende Beziehung zwischen Parametern der Gleichungen (8) und (9):

^Ύν ^γν ^ν τι

b = 8Β - 2Α (4Α ² + 3— =τ- ) (13)

V ν VV γ γ '

¹V ¹V

Die eigentlichen Koeffizienten U-j, B_Q und Pq der dünnen Einzellinse können wie folgt geschrieben werden:

J. ₊..ü±2.1 .' ₍₁₄₎-

ο^ψΤΓ . . <»' .V* -. ■■ ^U6)

mit N = Brechzahl des die Linse bildenden Werkstoffs und

X^ = ein parasialer Krümmungsradius der vorderen Seitenfläche der Einzellinse»

Die Aberrations-Koeffizienten dritter Ordnung der Koma-Aberration II und der astxgmatischen Aberration III des optischen Systems werden durch die vorgenannten eigentlichen Koeffizienten wie folgt ausgedrückt?

II - S₃₁U₀ + b_nB₀ + &_πφ - 0 (17)

^m ^{= a}m^üo ^{+ b}m^Bo ⁺ ^cm * ^am^ ⁼ ° ^{18)

^&lil' ^m* ^Hi ^Konstanten sind

und φ> ein eine sphärische Fläche bezeichnender Parameter ist, der durch die folgende Gleichung gegeben ist:

wobei Wp⁰ und My Brechzahlen von Medien der Rück- bzw. der Vorderseite der dünnen Einzellinse sind.

Die Anzahl einzuführender asphärischer Flächen kann mit eins oder zwei gegeben sein„ und die unabhängige Veränderliche ist Tir ψ die durch die obige Gleichung (17) gegeben ist. Dann

ist der vorgenannte eigentliche Koeffizient Ug von Bq abhängig. Bei Eliminierung von γ . aus den Gleichungen (14) und (16) erhält man:

^ÜÖ ⁼· (N₊IpV⁺ (N+l)2^B0. ⁺ (N-I)2(N₊I)^{2 (20)}

Infolgedessen sind die unabhängigen Veränderlichen zur Bestimmung der Koma-Aberration II und der astigmatisehen Aberration III ψ und B_Q. wenn nun Zielwerte der Koma-Aberration II und der as tigmati sehen Aberration III Hq bzw. HIq sind, kann eine Krümmung der asphärischen Linse wie folgt errechnet werden:

° ^{= 3}m^bii - ³ii^b _Ä ⁽ '

_ m₀ - (a_mu₀ » _bmB₀ , c_m)

^am

Wenn in den vorstehenden Gleichungen II_Q = 0 und HIq = 0, erhält man aus der Berechnung einer Lösung mit einer Brechzahl N von 1,4 = Ν^1,9 und einer Abtastvergrößerung m von 2 £. m == 30 das folgende Resultat; dabei ist jedoch die Brennweite der Linse mit 1 gegeben.

0.4165 < — <1,5417 (24)

-3.0191 < ψί < -0.7058 (²⁵>

Spezifikationen der Linsen 5-, 52 ··· der vorgenannten Vor richtung sind gemäß dem vorstehenden Resultat folgende:

Brennweite f = 60 mm Abtastvergrößerung m =10 Laserwellenlänge X = 0,633 pm (Heliumneonlaser) Lichtstärke F = 250

Werkstoff Acrylharz (Brechzahl

N = 1,4885)

f>—

Krümmungsradius y^ = 54,2564

γνΓ = -37,9419

asphärischer Koeffo ^₁ _ q.

A₂ = 0.45833 χ 10"²

B₂ = 0.48729 χ ΙΟ"*
Linsendicke d = 14,4492 mm.

1
Bei Normalisierung mit f = 1 sind ——-und IjT wie folgt:

— = 1.1059

ψ = -2.7175

Pig» 10 zeigt Charakteristika der vorgenannten Linsen 5., 5jf .ο ο ο Dabei bezeichnet Äy^ eine Punktstreuung in
y-Richtung, -^z^ bezeichnet eine Punktstreuung in z-Richtung, und es kann eine Abtastung bis zu 300 mm max. auf der Abtastebene in wirksamer Weise erfolgen, wenn die Punktstreuung, wie erwähnt, bis zu 200 pm zulässig ist.

Pig_o 11 zeigt eine Laser-Lesevorrichtung, die die Lichtabtastvorrichtung mit Linsen gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet.

Dabei sind vorgesehen eine Laserlichtquelle 10, eine Linse 11, ein Reflektor 12, eine Scheibe 8, die asphärische Linsen 5., S₂, ο ο ο (nachstehend kurz? Linsen 5.,, 5₂, ... ) trägt, ein Motor 13, der die Scheibe 8 in der durch einen Pfeil B bezeichneten Richtung dreht, eine Abtastebene 14, ein
optisches Element 15, das Streulicht 19 von der Abtastebene 14 sammeIt₇ und ein Lichtdetektor 16.

Auf der Abtastebene sind ein zu lesender Strichcode 20 und weitere Zeichen angeordnet. Der Strichcode ist von unterschiedlicher Stärke und befindet sich auf der Außenseite einer Packung, wobei z. B. ein Produktname und ein Herstellungsdatum in ihm enthalten sind.

Es erfolgt eine zweidimensionale scharfe Abtastung der Abtastebene 14 durch Drehungen der Scheibe, daher darf eine geringfügige Verschiebung der Strichcode-Anordnung keinen Einfluß auf den Laser-Lesevorgang ausüben.

Die hier eingesetzten Linsen 5.., 52, ... wurden gemäß dem obigen Beispiel konstruiert. Dann wurden die Linsen 5.J, 52 wendelförmig auf der Scheibe gemäß den Fig. 4 und 5 angeordnet.

Von der Laserlichtquelle 10 ausgehendes Laserlicht entwikkelt sich durch die Linse 11 zu einem divergenten Lichtstrahl und trifft dann auf Linsen 5., 5₂, ... auf der Scheibe 8 durch den Reflektor 12 auf. Die Linsen 5.., 5₂,... sind wendelförmig auf der Scheibe 8 angeordnet, somit wird ein zweidimensionales Lichtabtastmuster entsprechend 9 in Fig. 5 erhalten; Reflektoren M₁, M₂ gemäß Fig. 11 halbieren jedoch dieses zweidimensionale Lichtabtastmuster. Dabei wird eine Hälfte des der zweidimensionalen Lichtabtastung unterworfenen Laserlichts vom Reflektor M₁ gemäß 17 als Abtastmuster 14- reflektiert, und die andere Hälfte wird vom Reflektor M₂ gemäß 18 als Abtastmuster 14₂ reflektiert. Infolgedessen wird ein scharfes zweidimensionales Abtastmuster auf der Bildebene 14 von Fig. 11 erhalten.

Es ist bei der Vorrichtung sehr itfesentlich, daß die Linsen 5-, „ 52»... eine asphärische Fläche aufweisen, somit kann jeder Abtastlaserstrahl einen Mikrolichtpunkt mit geringerer Streuung bilden» So wird das Streulicht 19 des auf der Äbtastebene 14 befindlichen Strichcodes 20 durch das optische Element 15 am Lichtdetektor 16 gesammelt und wird daher mit hoher Präzision erfaßt«

Anschließend wird eine Linsen gemäß der Erfindung verwendende Lichtabtastvorrichtung erläutert, die auf einer Abtastebene eine lineare Lichtabtastzeile erzeugt.

Gemäß Fig_o 3 ist die Abtastzeile von auf einer umlaufenden Scheibe angeordneten Linsen gekrümmt,, Um die Krümmung zu korrigieren und damit eine nahezu gerade Abtastzeile zu erhalten^ ist gemäß Fig, 12 zwischen der Scheibe 8 und der Bildebene 25 eine Zylinderlinse 21 mit einer konvexen Fläche angeordnet= Der Abstand zwischen der Zylinderlinse und der Bildebene ist nahe der Brennweite der Zylinderlinse eingestellt. Es sei angenommen,, daß die Linse 5.. unter einem Winkel θ um die Scheibenmitte Q rotiert. Das Zentrum der Linse 5., verschiebt sich dann von E nach D. Das auftreffende Laserlicht 20 ist auf einen von E versetzten Punkt Yq eingestellt.

Wenn die Scheibe 8 in Richtung des Pfeils B rotiert, sollte die Lichtabtastzeile entsprechend einer Strichlinie 22A gekrümmt sein? wenn die Zylinderlinse 21 nicht vorgesehen ist? die Position der Lichtabtastzeile ist jedoch im wesentlichen korrigiert, wie durch eine Vollinie 22 gezeigt ist. Die Lichtabtastzeile wird durch die Zylinderlinse mit konvexer Mantelfläche gerade gemacht, weil selbst ein

Lichtstrahl, der abweichend von einer Achse der Zylinderlinse auftrifft, nahe einer Brennlinie der Zylinderlinse kondensierbar ist aufgrund der Eigenschaften der Zylinderlinse.

Der Wert für Y_Q und der Abstand zwischen der Zylinderlinse 21 und dem Schirm 25 wird so eingestellt, daß die Krümmung der Abtastzeile minimiert wird; die als Vollinie 22 dargestellte Lichtabtastzeile ist jedoch nicht vollständig linear, was eine sehr kleine Abweichung, die jedoch ^A maximum beträgt, bedeutet.

Fig. 13 zeigt eine Lichtabtastvorrichtung mit Linsen, die eine lineare Lichtabtastung ermöglichen. Im Unterschied zu Fig. 11 ist eine Zylinderlinse zwischen der Lichtabtastvorrichtung und der Abtastebene angeordnet, so daß eine lineare Abtastung erhalten wird. Im Strahlengang des von der Laserlichtquelle 10 ausgehenden Laserlichts sind Zylinderlinsen 26A, 27B angeordnet, und zwischen den Linsen 5., 5,,,..., die auf demselben Umfang der Scheibe 8 angeordnet sind, und der Abtastebene 25 ist eine Zylinderlinse 21 an einer Stelle vorgesehen, an der die Brennachse der Linse nahezu rechtwinklig zu der Abtastzeile verläuft.

Das von der Laserlichtquelle 10 ausgehende Laserlicht durchsetzt die Linse 11 und die Zylinderlinsen 26A, 27B und trifft auf die Linsen 5.., ΰ-,... auf der Scheibe 8 auf. Der die Linse 11 divergierend durchsetzende Laserstrahl wird von den beiden Zyliriderlinsen 26A, 27B, deren Brennachsen nahezu parallel zueinander angeordnet sind, nur hinsichtlich Divergenz in Richtung der Abtastzeile geändert, wird infolgedessen parallel und trifft auf die Linse 5 als ein Strahl

auf, der nur vertikal gemäß Fig. 8 divergiert. Das aus den Linsen 5^₀ 52j-.«. austretende Licht wird von der Zylinderlinse 21 in Vertikalrichtung kondensiert und entwickelt sich zu einem Mikrolichtpunkt unter Bildung einer nahezu linearen Lichtabtastzeile 22 auf der Abtastebene 25.

Krümmungen der Linsen 5., 52,.-»f die bei dieser Vorrichtung eingesetzt werden^ v/erden im einzelnen wie folgt erläutert?

Die Optik gemäß Fig., 13 wird durch Auseinanderziehen von der Meridionalebene und der Sagittalebene gemäß Fig. 14 betrachtet» Ein Lichtmuster_? das eine Hauptebene H, auf der Objektseite der Linse 5' bestrahlt, ist in Fig. 15 gezeigt. Dabei bezeichnet y" eine Meridionalrichtung, z¹ eine Sagittalrichtung, und ein Schnittpunkt M" des Hauptstrahls und der Hauptebene H₁ der Objektseite bildet das Original. H,, bezeichnet eine bildseitige Hauptebene der Linse 5.,₈ Eine Strahlbreite 2H in y°-Richtung ist auf den Schirm 25 mit einer Lichtstärke F = 125 verkleinert. Andererseits kann eine Strahlbreite 2H in ζ'-Richtung nicht präzise auf der Linse 5^„ verkleinert werden infolge von Beugungseinflüssen und ist damit so eingestellt, daß der aus der Linse 5., austretende Strahl im wesentlichen parallel wird ο

Ein Divergenzpunkt 0_p des Laserlichts in Fig. 14(b) wird durch die Linse 11 der Optik von Fig. 13 realisiert. O₀ in Fig. 14(a) erfolgt durch die Linse 11 und die Zylinderlinsen 26A₄, 27B von Fig. 13„ Ein Parameter S in Fig. 14 ist durch den folgenden Ausdruck gegeben;

I₊I=I ■ (26)

S ⁺ mf f

Wenn die Brennweite der Linse S₁ mit f und der Abstand zwischen der Linse 5^ und dem Schirm 25 mit mf angenommen wird, können H und H₂ wie folgt geschrieben werden:

$■- 125

Wenn hier seitliche Aberrationen Ay, Az (Gleichungen (1) und (2)) von Lichtstrahlen in Meridionalrichtung (y-Richtung) und Sagittalrichtung (z-Richtung) um den vorgenannten Aberrations-Expansionskoeffizienten dritter Ordnung bis zu 100 pm (J^50 ^m) zugelassen werden können, werden Werte für jeden Aberrations-Koeffizienten erhalten. Dabei gilt, daß die Linsenbrennweite f = 65 mm, die Abtastvergroßerung m = 10, der Halbbildwinkel ω = 10°, F = 125; das Resultat wird in normalisierter Form mit f = 1 erhalten.

f I I < 2.4 . (27)

I II I < 0.18 " \ (28)

I 31Π+Ρ I < 0.124 . (29)

I < 1.24 . (30)

Dann wird die Verzeichnungs-Aberration V wie vorher vernachlässigt. Da für die sphärische Aberration I und die astigmatische Aberration III eine große Toleranz besteht, ergibt sich aus dem obigen Resultat, daß die Koma-Aberration II und 3III+P-Aberration den folgenden Ausdrucken genügen:

H = O . (3D

Die Linse ist wie im vorhergehenden Fall eine asphärische Einzellinse«, Wenn eine Lösung errechnet wird mit II„ = 0,

einer Brechzahl W 1,4iN^1,9 und einer Abtastvergrößerung von m = 5im4i30_? wird in den Gleichungen (19) bis (21) das folgende Ergebnis erhalten. Dabei wird angenommen, daß die Linsenbrennweite 1 ist=

0.5270 < — <-1.3528 ' . (33) = γι -.

-2.9058 ■< φ <· -0.8203 · · (34)

Die Spezifikationen der Linsen 5«|, S₂ gemäß dem Ergebnis sind folgendes

Brennweite f = 65 mm

Äbtastvergroßerung m = 10

Laserwellenlänge ^- = 0,633 pm (Heliumneonlaser)

Lichtstärke F= 125

Werkstoff Glas (BK7, Brechzahl N = 1,5152)

Krümmungsradius γ_Α - 62,2343

>ζ =■ -47,9658

asphärischer Koeff. Ai = 0

A₂ = 0.30825 χ 10"„

Bi = 0

B2.= 0.26808 χ 10" ⁵

Linsendicke d, = 11,o955 mm

Für die Zylinderlinse 21 gilt:

Brennweite f„ = 65 mm

Werkstoff Glas (BK 7, Brechzahl N = 1,5152)

Linsendicke dg = 6,5 mm.

Eine Charakteristik der Lichtabtastvorrichtung, die diese Linsen und die Zylinderlinse verwendet, ist in den Fig. und 17 dargestellt.

Wenn der Werkstoff Acrylharz (Brechzahl N = 1,4885) ist, sind die Spezifikationen der Linsen 5.. , 5o wie folgt (dabei werden nur die von den obigen Spezifikationen abweichenden Werte genannt):

Krümmungsradius ^ = 59,2522

Y^ = -48,8494

asphärischer Koeff. ..Ai = 0

A₂ = 0.24669 χ 10"²

Bi.;» Ö.27-9.14 χ Ϊ0*⁵ Linsendicke d,= 10,699 mm.

Eine Charakteristik der Lichtabtastvorrichtung, die diese Linsen verwendet, ist in den Fig. 18 und 19 dargestellt.

Wie die Fig. 16 und 17 zeigen, kann bei einer zulässigen Punktstreuung von bis zu 100 /am eine Abtastung bis zu 300 mm maximal auf dem Schirm stattfinden.

Die in jeder Ausfuhrungsform verwendete asphärische Linse

ist ebenso wie die sie tragende Scheibe Kunststoff, daher

kann sie ohne weiteres in großen Mengen kopiert und kostengünstig hergestellt werden.

Claims

Ansprüche

1. Lichtabtastvorrichtung mit Linsen, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (10), die eine Abtastebene mit Laserlicht bestrahlt, und

eine umlaufende Scheibe (8) mit mehreren Linsen, die mindestens eine asphärische Linsenfläche aufweisen und die im Strahlengang des von der Lichtquelle ausgehenden Laserlichts angeordnet sind.

2. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die mehreren Linsen (5.., 52) wendelförmig auf der Scheibe (8) angeordnet sind.

3. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 2,

daß auf der Scheibe mehrere Reflektoren angeordnet sind.

4. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die asphärische Oberflächenkrümmung der Linsen einen paraxialen Krümmungsradius γ ^ an der Vorderseite der

680-318228/67DE1-Schö

BAD ORfGINAL

Linsen sowie einen Parameter φ hat, der die asphärische Oberflächenkrümmung bezeichnet:

0.4165 < -^- < 1.5417

• -3.0191 < φ < -Q.7058

(unter der Voraussetzung, daß die Brennweite mit 1 normalisiert ist),

wobei die Brechzahl N des die Linsen bildenden Werkstoffs 1,4|:Ni1,0 und die Abtastvergrößerung m = 2 = m = 30 ist.

5. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die mehreren Linsen auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind.

6. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen der Abtastebene und der umlaufenden Scheibe eine Zylinderlinse (21) angeordnet ist.

7. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen der Lichtquelle und der umlaufenden Scheibe zwei Zylinderlinsen (26A, 27B) angeordnet sind.

8. Lichtabtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die asphärische Flächenkrümmung der Linsen einen paraxialen Krümmungsradius Y₁ an der Linsenvorderseite und einen Parameter φ umfaßt, der die asphärische Flächenkrümmung bezeichnet:

0.5270 < — < 1.3528 = γι -

-2.9058 < Φ < -0.8203

(unter der Voraussetzung, daß die Brennweite mit 1 normalisiert ist),

wobei die Brechzahl N des die Linsen bildenden Werkstoffs 1f4iNs1,0 und die Abtastvergroßerung m = 5 έ m = 30 ist.