DE3784134T2

DE3784134T2 - Kompaktes optisches abtastsystem.

Info

Publication number: DE3784134T2
Application number: DE8787113460T
Authority: DE
Inventors: Kent Alan Byerly; Duane Earl Grant
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1986-11-10
Filing date: 1987-09-15
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2007-09-16
Also published as: DE3784134D1; EP0267389B1; JPS63128311A; US4762994A; EP0267389A2; EP0267389A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mechanisches Abtastsystem zur Erzeugung eines optischen Abtaststrahles unter Verwendung eines rotierenden Spiegels, wobei der Spiegel und seine Halterung wie ein Resonanz-Abtastgalvanometer oder ein Torsionsbalken arbeiten.

Stand der Technik

Optische Abtaststrahlen sind weit verbreitet; eine wichtige Anwendung ist bei der Elektrophotografie, wobei ein Abtastlaserstrahl verwendet werden kann, um auf einer photoleitenden Oberfläche zu "lesen" oder zu "schreiben". Eine wichtige Eigenschaft eines solchen mechanischen Abtastsystems ist die große Stabilität seiner Bewegung; da jedes reale mechanische System Reibung aufweist, muß dem Abtastsystem Energie zugeführt werden. Es ist jedoch wichtig, daß die Energie so zugeführt wird, daß die Stabilität der Abtastbewegung nicht beeinträchtigt wird. Bezüglich dieser Bedingung bieten Resonanz-Abtastgalvanometer einen eindeutigen Vorteil. In einem solchen System wird die Abtastbewegung durch die Drehung eines Spiegels um eine Achse erzeugt. Die Halterung des Spiegels wirkt wie ein Torsionsbalken und die Eigenschaften der Bewegung (Periode) werden durch die Länge und den Durchmesser des Torsionsbalkens festgelegt. Die zum Ausgleich der Reibungsverluste nötige Energie kann induktiv zugeführt werden, um den physischen Kontakt mit stationären Teilen zu vermeiden (der physische Kontakt würde zusätzliche Reibung erzeugen). Resonanz-Abtastgalvanometer zu Erzeugung eines optischen Abtaststrahls werden in den US-Patentschriften 4,037,231; 4,032,888; 4,168,054 und 4,588,887 beschrieben.
Eine weitere wichtige Eigenschaft eines Apparates, welcher optische Abtastsysteme enthält, ist das Volumen des Apparats, sowie die Verteilung des Volumens. Die Minimierung des für ein Element oder eine Komponente eines Systems nötigen Volumens ist vorteilhaft. Ein Nachteil der bekannten optischen Resonanz-Abtastsysteme, wie in den oben genannten Patenten beschrieben ist die Anordnung, bei der der Torsionsbalken (der geometrisch als eine Linie betrachtet werden kann) senkrecht oder nahezu senkrecht in Bezug auf die Ebene angebracht ist, in der der optische Strahl sich bewegt (wie zum Beispiel in Fig. 3 des Patentes 4,588,887). Der durch den optischen Strahl während des Abtastvorgangs beschriebene Bogen wird z. B. durch die Größe des Bereichs, in dem wir "lesen" oder "schreiben" wollen, bestimmt. Wir können also keine willkürlichen Änderungen der Abmessungen unseres Abtastsystems in dieser Ebene vornehmen. Ebenso können wir die Abmessungen des Torsionsbalken nicht willkürlich ändern, da die Abmessungen des Torsionsbalken die Abtastbewegung, durch Festlegung der Bewegung des Spiegels, bestimmen. Der Nachteil von Anordnungen nach dem Stand der Technik ist der, daß bei allen der Torsionsbalken im allgemeinen senkrecht zur Ebene der Abtastbewegung angeordnet ist. Deshalb ist man gezwungen, das Volumen der Abtasteinheit in allen drei Dimensionen zu reduzieren. Zwei der Dimensionen werden durch die Abtastebene festgelegt und die dritte Dimension hängt von der Länge des Torsionsbalken ab. Ein optisches Abtastsystem mit reduziertem Volumen, das einen, auf einem Torsionsbalken befestigten Abtastspiegel enthält, wobei die Achse des Torsionsbalkens im wesentlichen parallel zur Abtastebene liegt, ist in EP-A-100211 enthalten. Dieses System erfordert eine Anzahl von parabolischen oder gewölbten Spiegeln, um die Abtastlinie auf dem Empfänger gerade auszurichten.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein mechanisches, optisches Abtastsystem oder einen optischen Schreibkopf bereitzustellen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Torsionsbalken in einem optischen Resonanz-Abtastsystem so anzuordnen, daß er die Ebene der Abtastbewegung nicht schneidet. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung liegt der Torsionsbalken im wesentlichen parallel zur Ebene der Abtastbewegung. Alternativ kann die Drehung um eine Achse stattfinden, die in der Ebene der Abtastbewegung liegt. Als ein Ergebnis davon ist die Ausdehnung des mechanischen Optik-Abtastsystems senkrecht zur Ebene der Abtastbewegung von den andernfalls, durch die Länge des den Abtastspiegel tragenden Torsionsbalken erzwungenen Einschränkungen befreit.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung enthält das mechanische Optik-Abtastsystem eine vorfokussierte Laserquelle, eine optische Abtast-Untereinheit, einen Abtastdetektor und ein Resonanz-Induktionsantrieb-Abtastsystem oder ein Resonanz-Abtastgalvanometer, die zusammen einen modularen Laser-Schreibkopf bilden. Der Laser und das Abtastgalvanometer sind vor Ort austauschbare Elemente. Der Laser wird modular eingebaut, entweder in Form eines Injektionslasers (Aluminium-Gallium-Arsenid) oder eines Helium-Neon-Lasers, mit einem integrierten modularen, akusto-optischen Treiber. Durch die im wesentlichen oder bevorzugt parallele Anordnung des, den optischen Abtastspiegel tragenden Torsionsbalkens, in Bezug auf die, durch die Streichbewegung des optischen Strahles definierte Ebene, kann die Gesamthöhe des Schreibkopfes verringert werden, was zu einem flachen Drucker führt. In einer Anordnung wurde eine Verringerung der Höhe von 25% erzielt. Das Abtastgalvanometer und sein induktiver Antrieb können abgedichtet werden, um das Eindringen von Staub und den Austritt von Schall zu vermeiden.
Die Erfindung stellt ein kompaktes optisches Abtastsystem bereit, das aufweist:
eine Quelle eines optischen Strahles,
einen Abtastspiegel,
ein Resonanz-Abtastgalvanometer zur Halterung des Abtastspiegels, der sich oszillierend um eine Oszillationsachse bewegt, Mittel zur Halterung des Resonanz-Abtastgalvanometers, dessen Oszillationsachse im wesentlichen parallel zur Abtastebene liegt, erste optische Mittel, um den optischen Strahl von der Quelle zu dem Abtastspiegel zu führen, und zweite optische Mittel, um den optischen Strahl von dem Abtastspiegel wegzuführen, damit ein optischer Strahl entsteht, der sich in der Abtastebene, die durch die Bewegung des optischen Strahls festgelegt wird, hin und her bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten und zweiten optischen Mittel, sowohl in dem Pfad von der Quelle des optischen Strahles zu dem Abtastspiegel als auch in dem Pfad von dem Abtastspiegel zu der Abtastebene denselben festen Spiegel enthalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung soll nun in den folgenden Abschnitten der Beschreibung, mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, erklärt werden, wobei gleiche Bezeichnungen sich auf jeweils gleiche Bauteile beziehen, und wo
Fig. 1-3 entsprechend Drauf-, Vorder- und Seitenansicht eines Laser-Schreibkopfes, gemäß der Erfindung, sind;
Fig. 4, 5 und 6 entsprechend drei Ansichten der Abtasteinheit sind,
Fig. 7 eine isometrische Darstellung der Beziehung zwischen den zwei größeren Untereinheiten des Schreibkopfes ist; und
Fig. 8 ähnlich der Fig. 7 ist, nur daß eine Gitterdarstellung gewählt wurde, um die interne Anordnung der optischen Komponenten zu zeigen.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Realisierung

Die Fig. 1, 2 und 3 sind Draufsicht und Seitenansichten, jeweils entsprechend, einer bevorzugten Realisierung der Erfindung. Wie in den Figuren gezeigt, enthält die kompakte optische Abtasteinheit der Erfindung zwei größere Untereinheiten. Eine Basiseinheit 10, die eine Vielzahl, noch zu beschreibender, optischer Elemente trägt und eine, von der Basiseinheit 10 gehaltene, Abtasteinheit 20, mit einer Abdichteinrichtung an der Verbindungsstelle zwischen der Basiseinheit und der Abtasteinheit. Die Fig. 4, 5 und 6 stellen drei Ansichten der Abtasteinheit 20 dar. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, wird der rotierende Spiegel 21 von einem Torsionsstab 24 gehalten, der wiederum von freitragenden Blattfedern 23 gehalten wird. Die Drehachse 210 (siehe Fig. 8) von Spiegel 21 wird während der Herstellung in Bezug auf die Montagestifte 22 (Fig. 5, 6) ausgerichtet, um zwischen der Drehachse 210 und der Abtastebene einen Bezug herzustellen. Die Fig. 7 und 8 sind, jeweils als isometrische Darstellung bzw. als isometrische Gitterdarstellung, um interne Einzelheiten zu zeigen, ausgeführt.
Wie in der Draufsicht von Fig. 1 ersichtlich, trägt die Basiseinheit 10 einen Laser 100 und eine sich anschließende Laser-Fokussierlinse 101 (die zusammen als Einheit austauschbar sind). Die Basiseinheit 10 enthält die Anlage für einen optischen Pfad, der sich zwischen dem Laser 100 und einem ersten Klappspiegel 105 erstreckt. Der erste Klappspiegel 105 wird von dem Aufbau 10 getragen und so in Bezug auf den Laser 100 ausgerichtet, daß er den, vom Laser 100 kommenden, optischen Strahl umlenkt. Die Ausrichtung des Klappspiegels 105 wird in Fig. 8 am besten dargestellt. Der Klappspiegel 105 ist so orientiert, daß der vom Spiegel ausgehende optische Strahl mit dem ankommenden Strahl einen Winkel von 35º bildet, in derselben Ebene. Der vom Spiegel 105 reflektierte Lichtstrahl trifft auf einen feststehenden Spiegel 110, der zum Beispiel bis zu einem Winkel von ungefähr 45º zu der, durch den Strahl von Laser 100 zu dem Spiegel 105, festgelegten Ebene, geneigt ist. Der vom Spiegel 105 reflektierte Lichtstrahl wird vom Spiegel 110 reflektiert und auf den Oszillationsspiegel 21 gelenkt. Der Oszillationsspiegel 21 wird vom Torsionsbalken 24 gehalten, dessen Achse 210 in Fig. 8 gezeigt wird. Der Spiegel 21 und der Torsionsbalken 24 werden von der Abtasteinheit 20 getragen (siehe Fig. 5). Da der Torsionsbalken sich um die Achse 210 dreht, dreht sich auch der Spiegel 21 um dieselbe Achse. Die Drehbewegung des Spiegels 21 ist so ausgelegt, daß zu einem Zeitpunkt der Drehbewegung der vom Spiegel 110 reflektierte Strahl so vom Spiegel 21 zurückreflektiert wird, daß er im Punkt A auf dem Spiegel 110 auftrifft. Wenn sich der Spiegel dreht, wird der von den Spiegeln 105, 110 reflektierte Strahl so zurückreflektiert, daß er im Punkt B auf dem Spiegel 110 auftrifft. Licht, das vom Spiegel 21 reflektiert wird und auf dem Spiegel 110 im Punkt A auftrifft, bildet den Strahl 11A, und genauso bildet der vom Spiegel 21 reflektierte Strahl, der im Spiegel 110 im Punkt B auftrifft, den Strahl 11B. Die Strahlen 11A und 11B legen den nutzbaren Bereich der Strahlablenkungsbewegung, sowie die Abtastebene 111, fest. Eine Linse 150 wird von den Strahlen 11A und 11B durchquert (genauso, wie von allen dazwischenliegenden Strahlen). Die Drehbewegung von Spiegel 21 jedoch, geht noch über die Position hinaus, die den Strahl 11B produziert, so daß der Strahl zu einem späteren Zeitpunkt nochmals auf den Spiegel 110 und mindestens im Punkt C auftrifft. Der Punkt C ist genügend weit vom Punkt B entfernt, so daß Licht, das vom Spiegel 21 zum Spiegel 110 im Punkt C reflektiert wird, zum festen Spiegel 155 reflektiert wird, von wo der Strahl durch die Linse 156 hindurchreflektiert wird und auf dem Abtastdetektor 157 auftrifft.
Wie in Fig. 2 zu sehen, wird die Abtasteinheit 20 auf der Basiseinheit 10 gehalten. An der Verbindungsstelle ist eine Dichtung angebracht, bestehend aus passendem Dichtungsmaterial. Die Ausrichtungs- oder Bezugsstifte 22 dienen zur Ausrichtung der Drehachse 210 in Bezug auf die Basiseinheit 10 und dadurch auch in Bezug auf die Abtastebene 111.
Wegen der Eigenschaften des Torsionsbalkens, kann die Position des Spiegels 21, wenn der Strahl sich an den Punkten A oder B oder an irgendeinem Punkt dazwischen befindet, als eine Zeitverzögerung vom Zeitpunkt, zu dem Licht im Abtastdetektor 157 registriert wird, interpretiert werden. Entsprechend kann der Detektor 157 als ein Abtaststart-Detektor verwendet werden, was genauer in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung S.N. 879,247, eingereicht am 27. Juni 1986, übertragen auf den Einreicher dieses Patentantrags, beschrieben wird.
Es sollte aus dem bisher gesagten ersichtlich sein, daß ein entscheidender Vorteil des in den Fig. 1-8 dargestellten Apparates, verglichen mit dem Stand der Technik, in der Ausrichtung der Drehachse 210 in Bezug auf die Abtastebene 111 (der zwischen den Strahlgängen 11A und 11B definierten Ebene) besteht. Die Ausrichtung der Drehachse ist parallel oder im wesentlichen parallel zu dieser Ebene. Ein entscheidender Vorteil ist die, aus dieser Ausrichtung resultierende Volumenverminderung. Mit anderen Worten ist es nicht möglich, die Länge des Torsionsbalken willkürlich zu ändern, da die Länge des Torsionsbalkens die Eigenschaften der Bewegung des Lichtstrahles mitbestimmt. Durch die parallele oder im wesentlichen parallele Ausrichtung der Drehachse 210 (und damit des Torsionsbalkens 24) in Bezug auf die Abtastebene 111, wird eine Volumenverminderung der gesamten Abtastanordnung erzielt.
Ein weiterer, entscheidender Vorteil bezieht sich auf die Rotations-Trägheitskraft, die während der Drehbewegung erzeugt wird. Beim momentanen Stand der Technik (bei dem die Achse des Torsionsbalkens senkrecht auf der Abtastebene steht), liegen diese Rotations-Trägheitskräfte in der Abtastebene. Diese Kräfte können die Gleichmäßigkeit der Plazierung der Bildelemente in Abtastrichtung beeinflussen, was im Gegensatz zum Wunsch nach gleichmäßiger Plazierung der Bildelemente steht. Auf der anderen Seite stehen die Rotations-Trägheitskräfte gemäß dieser Erfindung senkrecht auf der Abtastebene. Kräfte in dieser Richtung können leicht durch sicheres Befestigen der Basis 10 beherrscht werden. Mit anderen Worten, sind die Kräfte gemäß vorliegender Erfindung nicht nötigerweise geringer als die, bei der Anordnung nach dem Stand der Technik auftretenden Kräfte. Die gemäß vorliegender Erfindung, auftretenden Kräfte können jedoch leichter kontrolliert werden. In der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführung liegt die Drehachse 210 parallel zur Abtastebene 111. Jedoch ist es offensichtlich, daß die Vorteile der Erfindung auch erreicht werden, wenn die Torsionsachse 210 nur nahezu parallel zu der Ebene 111 liegt, wenn auch nicht genau parallel.

Claims

1. Kompaktes optisches Abtastsystem, das aufweist:

eine Quelle eines optischen Strahles (100),

einen Abtastspiegel (21),

ein Resonanz-Abtastgalvanometer (20) zur Halterung des Abtastspiegels, der sich oszillierend um eine Oszillationsachse (210) bewegt,

Mittel (10) zur Halterung des Resonanz-Abtastgalvanometers, dessen Oszillationsachse im wesentlichen parallel zur Abtastebene liegt,

erste optische Mittel (101, 105), um den optischen Strahl von der Quelle (100) zu dem Abtastspiegel (21) zu führen, und zweite optische Mittel, um den optischen Strahl von dem Abtastspiegel wegzuführen, damit ein optischer Strahl entsteht, der sich in der Abtastebene, die durch die Abtastbewegung des optischen Strahles festgelegt wird, hin und her bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß

die ersten und zweiten optischen Mittel, sowohl in dem Pfad von der Quelle des optischen Strahles zu dem Abtastspiegel als auch in dem Pfad von dem Abtastspiegel zu der Abtastebene denselben festen Spiegel (110) enthalten.

2. Abtastsystem nach Anspruch 1, bei welchem die optischen Mittel weiters Klappspiegelmittel (105) zum Umlenken eines Lichtstrahles aufweisen, der von der Quelle an den festen Spiegel (110) ausgesandt wird, wobei der feste Spiegel gegen die Klappspiegelmittel und die Abtastebene geneigt ist, um den optischen Strahl von dem ersten Klappspiegelmittel auf den Abtastspiegel zu lenken, und auf einen optischen Strahl anspricht, der von dem Abtastspiegel reflektiert wird, um einen optischen Abtaststrahl auf die Abtastebene zu lenken.

3. Abtastsystem nach Anspruch 2, welches eine Basiseinheit (10) und eine Abtasteinheit (20) enthält, wobei die Basiseinheit die Quelle eines optischen Strahles (100), das erste Klappspiegelmittel (105) und den festen Spiegel (110) trägt und wobei die Abtasteinheit von der Basiseinheit gehalten wird und das Resonanz-Abtastgalvanometer und den Abtastspiegel aufweist.

4. Abtastsystem nach Anspruch 3, welches in der Abtasteinheit (20) Ortungsmittel (22) enthält, um zwischen der Oszillationsachse (21) und der Abtastebene einen Bezugspunkt herzustellen.

5. Abtastsystem nach Anspruch 3 oder 4, welches Mittel (25) zum Abdichten und für die Verbindung der Basiseinheit mit der Abtasteinheit enthält.

6. Abtastsystem nach einem der vorigen Ansprüche, bei welchem die optischen Mittel enthalten:

Spiegelmittel (155) zum Umlenken eines optischen Strahles von dem Abtastspiegel (21) und

ein in der Basiseinheit (10) gelegener Abtastdetektor (157) zum Empfangen des optischen Strahles, der von den Spiegelmittel (155) reflektiert wird.