DE3922982C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtasteinrich­ tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Ab­ tasteinrichtungen sind zum Einsatz in Laserdruckern geeignet, wie sie als periphere Ausgabeeinrichtungen für Computer oder sonstige Informations-Verarbeitungseinrichtungen verwendet werden. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Abtastobjek­ tiv gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 für eine solche op­ tische Abtasteinrichtung.

In Laserdruckern wird bereits eine Einrichtung verwendet, die es erlaubt, mit Hilfe einer Kombination aus einer FR- Linse und einem sich drehenden Polygonspiegel einen Laser­ strahl so abzulenken, daß er eine photoempfindliche Trommel scannen bzw. abtasten kann. Bein Scannen bzw. Abtasten mit Hilfe des Laserstrahls treten jedoch aufgrund der Neigung der reflektierenden Oberflächen des sich drehenden Polygon­ spiegels sogenannte Teilungs- bzw. Steigungsfehler (pitch errors) auf.

Um die aufgrund des Neigungsfehlers des drehenden Polygon­ spiegels hervorgerufenen, schädlichen Effekte zu kompensie­ ren, wurden bereits eine Kombination aus einer zylindri­ schen Linse und einer torischen FR-Linse (siehe JP(A) 48-98 844), eine Kombina­ tion aus einem Prisma und einer FR-Linse (siehe JP(A) 59-9 883), eine Kombination aus einer torischen Linse und einer FR-Linse (siehe JP(A) 48-49 315) und der­ gleichen, vorgeschlagen. Alle diese Methoden weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie eine erhöhte Anzahl von Komponen­ ten erfordern, und zwar aufgrund der Verwendung zweier Sor­ ten von optischen Elementen, z. B. eines asymmetrischen, optischen Elements und einer FR-Linse, wie oben beschrie­ ben.

Um diesen Schwierigkeiten entgegenzuwirken, wurde in JP(A) 57-1 44 515 vorgeschlagen, die FR-Linse auch zur Kompensation der Ab­ tast-Teilungsfehler bzw. Abtast-Steigungsfehler (scanning pitch errors) zu verwenden, die aufgrund der Neigung des Polygonspiegels auftreten. Eine FR-Linse in Übereinstimmung mit diesem Vorschlag weist sowohl eine zylindrische Ober­ fläche oder eine torische Oberfläche als auch gewöhnliche sphärische Oberflächen oder planare Oberflächen auf. Es sei angenommen, daß eine erste Ebene senkrecht zu einer zweiten Ebene steht und daß eine "torische Oberfläche" eine Ober­ fläche mit unterschiedlichen Krümmungsradien sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ebene ist. Die torische Oberfläche läßt sich durch die nachfolgende Gleichung Zwei­ ter Ordnung ausdrücken:

z = Ax² + By² (1)

Hierin sind z die optische Achse, xz und yz die zueinander senkrecht stehenden Oberflächen, die die optische Achse enthalten, und A und B Koeffizienten mit A ≠ B, die unab­ hängig vom Beobachtungswinkel R relativ zur optischen Achse sind.

In einer Laser-Abtasteinrichtung mit der oben beschriebenen torischen Oberfläche gilt die nachfolgende Beziehung unter der Voraussetzung, daß die optische Abtastoberfläche xz, die die Oberflächenneigung verursachende Oberfläche yz, die Hauptabtastrichtung x, die Sub-Abtastrichtung y und die Brennweiten innerhalb jeder der Oberflächen fx und fy sind:

fx ≠ fy (als auch fx < fy) (2)

Wie anhand der oben beschriebenen Formel zu erkennen ist, können sich insbesondere die Fokussierungseigenschaften in der Oberflächenneigungsrichtung (Sub-Abtastrichtung) ver­ schlechtern. Dies liegt daran, daß derjenige Bereich, der durch fx abgetastet werden kann, begrenzt ist, da fx < fy ist. Die gewünschten Fokussierungseigenschaften lassen sich daher nicht in befriedigender Weise realisieren. Der Grund für die Verschlechterung der Fokussierungseigenschaften in der Sub-Abtastrichtung liegt darin, daß eine Feldkrümmungs­ aberration in der Oberfläche (Oberfläche yz) bezogen auf die Oberflächenneigung erzeugt wird. Die Wellenaberration bei einem bestimmten Beobachtungswinkel R ergibt sich da­ her wie folgt:

W = cy² (3)

Hierin entspricht c einem Koeffizienten. Andererseits las­ sen sich gute Fokussierungseigenschaften in der Hauptab­ tastrichtung erzielen, wenn R einen Wert von 40° oder weni­ ger aufweist. Das bedeutet, daß eine Aberration nur in der Oberflächenneigungs-Kompensationsrichtung (Richtung der y- Achse und der Sub-Abtastrichtung) erzeugt wird, da W in nicht-funktionaler Beziehung zu x steht. Da der Faktor c einem Koeffizienten entspricht, der durch den Krümmungsra­ dius, ein Intervall zwischen Linsen, einen Brechungsfaktor und den Beobachtungswinkel und dergleichen bestimmt ist, kann dieser Faktor aufgrund der Verschlechterung der Fokus­ sierungseigenschaften nicht Null werden, wenn sich die Kon­ tur der Linsenoberfläche in Übereinstimmung mit Gleichung (1) bestimmt. Andere Probleme ergeben sich dadurch, daß die Justierung durch Drehung der Linsen schwierig ist, da meh­ rere asphärische Oberflächen in den FR-Linsen vorhanden sind.

Die obigen Überlegungen gelten auch im Hinblick auf US 47 56 584, die eine optische Abtasteinrichtung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 und ein Abtastobjektiv gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 8 offenbart. Auch hier ist ein Linsen­ system mit in Haupt- und Sub-Abtastrichtung unterschiedlichen Brennweiten vorgesehen.

Aus JP(A) 62-2 65 615 ist eine Struktur bekannt, in der die Anzahl der asphärischen Oberflächen der Abtastlinse (FR-Linse) auf Eins vermindert ist, wobei sich die Form dieser asphärischen Oberfläche in Überein­ stimmung mit der nachfolgenden Gleichung ergibt:

z = Ax² + B′ (R) · y² (4)
(B′ ≧ B)

Hierin ist ein Koeffizient B′ eine Funktion eines Abtast- Beobachtungswinkels R, während sich andererseits der Krüm­ mungsradius der FR-Linse in Oberflächenneigungsrichtung in Übereinstimmung mit der Ablenkrichtung ändert. Entsprechend diesem Vorschlag läßt sich der Koeffizient des Ausdrucks y2 der Wellenaberration W näher an den Wert Null heranbringen, und zwar dadurch, daß der Krümmungsradius in Oberflächen­ neigungsrichtung (Sub-Abtastrichtung) größer wird mit zu­ nehmendem Abstand von der optischen Achse (Achse z), wie die gestrichelte Linie in Fig. 2 zeigt. Das bedeutet, daß die Brennweite fy in Sub-Abtastrichtung eine Funktion des Beobachtungswinkels R ist, so daß sich fy ebenfalls än­ dert in Übereinstimmung mit der Änderung des Beobachtungs­ winkels R. Gemäß diesem Vorschlag ist die Änderung des Krümmungsradius in Sub-Abtastrichtung symmetrisch bezüglich der optischen Achse. In Fig. 2 verläuft die z-Achse in Richtung der optischen Achse, während die yz-Oberfläche diejenige Oberfläche ist, die die Oberflächenneigung beein­ flußt. In der Darstellung nach Fig. 2 repräsentiert die durchgezogene Linie eine konventionelle torische Ober­ fläche, die sich durch nachfolgende Gleichung ausdrücken läßt:

z = By² + M (5)

Die Fokussierungsposition kann somit zu jeder Position auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel gebracht wer­ den, und zwar dadurch, weil der Krümmungsradius in Sub-Ab­ tastrichtung größer wird mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 2 zu erkennen ist, und dadurch, daß der Krümmungsradius au­ ßerhalb der Achse (R ≠ 0) größer ist als der in der Ober­ flächenneigungsrichtung auf der optischen Achse (R=0), was zu der genannten asphärischen Oberfläche führt. Der so gewählte Krümmungsradius ist darüber hinaus zusammen mit dem Beobachtungswinkel R monoton ansteigend und bisymme­ trisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Ab­ tasteinrichtung und ein Abtastobjektiv für diese optische Abtasteinrichtung zu schaffen, die eine unverzerte Abtastung mit großem Ablenk- bzw. Beobachtungswinkel bei gleichzeitig hohem Auflösungsvermögen gestatten.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des An­ spruchs 1 bzw. dem des Anspruchs 8 angegeben.

Entsprechend der Erfindung befinden sich die reflektierende Oberfläche des rotierenden Polygonspiegels und die Oberflä­ che der photoempfindlichen Trommel in konjugierter Abbil­ dungsbeziehung zueinander bezüglich der Sub-Abtastrichtung, wobei das Abtastobjektiv dazu dient, den Abtast-Steigungsfeh­ ler (scanning pitch error) zu kompensieren, der infolge der Oberflächenneigung des rotierenden Polygonspiegels ent­ steht. Weiterhin wird eine FR-Linse verwendet, die eine ro­ tationsasymmetrische, asphärische Oberfläche mit individu­ ellen Krümmungsradien in Hauptabtastrichtung und in Sub-Ab­ tastrichtung aufweist. Der Krümmungsradius in Sub-Abtast­ richtung erhöht sich monoton und asymmetrisch mit zunehmen­ dem Abstand von der optischen Achse, so daß sich eine Feld­ krümmungsaberration kompensieren läßt, die infolge des schrägen Einfalls der optischen Strahlen auf den rotieren­ den Polygonspiegel oder infolge der Bewegung der reflektie­ renden Oberfläche des rotierenden Polygonspiegels entsteht. Die FR-Linse ist eine Linse zur Abbildung der Strahlen an einer Position auf der Abtastoberfläche in Übereinstimmung mit dem Ablenkwinkel (Abtast-Beobachtungswinkel) R der op­ tischen Strahlen, die durch die reflektierende Oberfläche des rotierenden Polygonspiegels abgelenkt werden.

Die rotationsasymmetrische, asphärische Oberfläche weist eine Form auf, die einen individuellen Krümmungsradius so­ wohl bezüglich der Hauptachse als auch bezüglich der konju­ gierten Achse besitzt. Der Krümmungsradius der konjugierten Achse erhöht sich mit dem Abstand von der Achse (R ≠ 0). Die Form ist weiterhin so gestaltet, daß sie asymmetrisch bezüglich des Abtastzentrums (R=0) ist. Die so ausgebil­ dete asphärische Oberfläche kann an irgendeiner Oberfläche der Linse vorhanden sein, die eine FR-Linse ist, wobei sich die asphärische Oberfläche vorzugsweise an derjenigen Ober­ fläche befindet, die der Abtastoberfläche am nächsten liegt (Oberfläche der photoempfindlichen Trommel). Beispielsweise kann die asphärische Abtastlinse nach der Erfindung durch zwei Linsen gebildet sein, so daß ausgehend von der Ein­ trittsseite her (Seite des rotierenden Polygonspiegels) vier hintereinander liegende Linsenoberflächen vorhanden sind. Die ersten drei Oberflächen (gezählt von der Seite des Polygonspiegels) können rotationssymmetrische bzw. sphärische Flächen sein. Die vierte Oberfläche (die der Ab­ tastoberfläche gegenüberliegende Oberfläche) ist dann die rotationsasymmetrische, asphärische Oberfläche, die zuvor beschrieben worden ist.

In Übereinstimmung mit der Erfindung läßt sich die Feld­ krümmungsaberration kompensieren, die in Sub-Abtastrichtung auf der Abtastoberfläche (Oberfläche der photoempfindlichen Trommel) infolge des schrägen Einfalls der optischen Strah­ len auf den rotierenden Polygonspiegel sowie infolge der Bewegung der reflektierenden Oberfläche des rotierenden Po­ lygonspiegels entsteht. Die optischen Strahlen können z. B. Laserstrahlen sein. Es ist somit möglich, den Abbildungs- bzw. Bildpunkt auf der Abtastoberfläche genau auszurichten bzw. zu positionieren. Die Abtastung kann daher mit hohem Auflösungsvermögen und über einen großen Ablenk- bzw. Beob­ achtungswinkel erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine optische Abtast- bzw. Scan-Einrichtung,

Fig. 2 eine Linse mit einer konventionellen, asphärischen Oberfläche,

Fig. 3 die Bewegung einer reflektierenden Oberfläche ei­ nes sich drehenden Polygonspiegels,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Feldkrümmung,

Fig. 5 ein Beispiel für eine asphärische Oberfläche bei einer Abtastlinse nach der Erfindung,

Fig. 6 die Bewegung eines Bildes infolge der Positionsge­ nauigkeit des rotierenden Polygonspiegels und der Abtastlinse,

Fig. 7 die Änderung des Krümmungsradius der asphärischen Oberfläche in Sub-Abtastrichtung sowie in Überein­ stimmung mit der Erfindung,

Fig. 8 die Beziehung zwischen dem drehenden Polygonspie­ gel und den Einfallswinkeln, und

Fig. 9 Fokussierungseigenschaften nach der Erfindung im Vergleich zu einem konventionellen Beispiel.

Bevor die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Er­ findung erfolgt, sollen nochmals die mit der Erfindung zu lösenden Probleme skizziert werden.

In Laserdruckern wird ein rotierender Polygonspiegel als Abtast- bzw. Scan-Einrichtung verwendet, wobei optische Strahlen, z. B. Laserstrahlen, die von einer Lichtquelle emittiert werden, z. B. von einer Laserlichtquelle, schräg auf den rotierenden Polygonspiegel auftreffen. Beispiels­ weise treffen also Laserstrahlen schräg auf die reflektie­ rende Oberfläche des rotierenden Polygonspiegels auf, wobei die Laserstrahlen innerhalb der Abtast- bzw. Scan-Ebene (Oberfläche xz) verlaufen, in der auch die optische Achse (Achse z) liegt. Entsprechend der Fig. 3 bewegt sich eine reflektierende Oberfläche 40 eines rotierenden Polygonspie­ gels bezüglich eines einfallenden Laserstrahls 41 nach vorn und zurück. Der Auftreffpunkt des einfallenden Laserstrahls 41 verschiebt sich daher von der Position 42 zur Position 43, wobei sein reflektiertes Licht zunächst in Richtung 46 und dann in Richtung 47 abgestrahlt wird. Eine derartige Bewegung der reflektierenden Oberfläche führt zu keinerlei Problemen im oben beschriebenen Fall gemäß JP(A) 62-2 65 615, bei dem parallele Strahlen auf die reflektierende Oberfläche eines rotieren­ den Polygonspiegels auftreffen, wobei jedoch der Leucht­ fleck (spot) auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel in Richtung der optischen Achse bewegt wird, wenn die reflektierende Oberfläche 40 in einem Fall bewegt wird, bei dem sich die reflektierende Oberfläche des rotierenden Polygonspiegels und die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel zusammen in einer Fokussierungsbeziehung bezüglich der Sub-Abtastrichtung (y-Richtung) zwecks Kompensation der Oberflächenneigung des rotierenden Polygonspiegels befin­ den, um sicherzustellen, daß der Laserstrahl 41, der auf die reflektierende Oberfläche des rotierenden Polygonspie­ gels auftrifft, zu einem einzelnen Punkt fokussiert wird, und zwar bezüglich der Sub-Abtastrichtung. Ist R der Beob­ achtungswinkel, so läßt sich die Bewegung dieses Bildpunkts wie folgt beschreiben:

a R + b R² + c R³ + . . . (6)

Wie zu erkennen ist, befinden sich in den Ausdrücken zur Bestimmung des Beobachtungswinkels R ungerade Funktionster­ me. Wird der Laserstrahl zwecks Abtastung und nach schrägem Auftreffen auf die reflektierende Oberfläche des rotieren­ den Polygonspiegels durch eine Abtastlinse abgebildet, die eine asphärische Oberfläche aufweist, bei der der Krüm­ mungsradius in Sub-Abtastrichtung bisymmetrisch bezüglich der optischen Achse ist, so kann der Abbildungs- bzw. Bild­ punkt in Sub-Abtastrichtung nicht auf der Abtastoberfläche liegen (also nicht auf der Oberfläche der photoempfindli­ chen Trommel), wie durch die gestrichelt eingezeichnete Li­ nie in Fig. 4 angedeutet ist. Das Bild wird also nicht ge­ neigt bzw. gekippt, selbst wenn Laserstrahlen schräg auf die reflektierende Oberfläche auftreffen, um durch eine bi­ symmetrische und asphärische Abtast- bzw. Scan-Linse im La­ serabtast- bzw. Scan-System abgebildet zu werden, das eine Abtast- bzw. Scan-Einrichtung, wie z. B. einen Galvanome­ terspiegel, enthält, bei dem die Rotationsachse und die reflektierende Oberfläche miteinander koinzidieren. Wird jedoch ein rotierender Polygonspiegel verwendet, bei dem das Rotationszentrum nicht auf der reflektierenden Oberflä­ che liegt, so bewegt sich der Leuchtfleck unvermeidlich auf der Abtastoberfläche, wie oben beschrieben, und zwar in Richtung der optischen Achse und in Übereinstimmung mit der Bewegung der reflektierenden Oberfläche. Im Ergebnis trifft der Bildpunkt, der in der Sub-Abtastrichtung positioniert ist, nicht mit der Abtastoberfläche zusammen, wie die ge­ strichelte Linie in Fig. 4 zeigt. Die Tatsache, daß in Fig. 4 der Bildpunkt in negativer Richtung abgelenkt wird, führt dazu, den Krümmungsradius R-x in Sub-Abtastrichtung mit zu­ nehmendem Abstand von der optische Achse zu vergrößern, um den Bildpunkt wieder auf die Oberfläche der photoempfindli­ chen Trommel (Position, an der z′=0 ist) zu bringen, die als Abtastoberfläche dient. Auf der anderen Seite führt die Tatsache, daß in Fig. 4 der Bildpunkt in positiver Richtung abgelenkt wird, zu der Notwendigkeit, den Krümmungsradius Rx in Sub-Abtastrichtung zu verkleinern, was im Gegensatz zur ersten Maßnahme steht. In Übereinstimmung mit der Er­ findung wird daher eine rotationssymmetrische, asphärische Oberfläche verwendet, bei der die Hauptachse und die konju­ gierte Achse die individuellen Krümmungsradien aufweisen, wobei der Krümmungsradius der konjugierten Achse mit zuneh­ mendem Abstand von der Achse ansteigt, während die Form asymmetrisch in Lateralrichtung bezüglich des Abtastzen­ trums ist. Im Ergebnis kann die Feldkrümmungsaberration, die in Sub-Abtastrichtung auf der Abtastoberfläche infolge des schrägen Einfalls des Lichts auf den Polygonspiegel oder infolge der Bewegung der reflektierenden Oberfläche in Übereinstimmung mit der Rotation des sich drehenden Poly­ gonspiegels erzeugt wird, kompensiert werden, um Koinzidenz zwischen Bildpunkt und Abtastoberfläche herzustellen, so daß bessere Fokussierungseigenschaften und damit ein höhe­ rer Auflösungspegel erhalten werden.

Die asphärische Abtastlinse nach der Erfindung enthält eine fR-Linse, die einen optischen Strahl an einer Position auf der Abtastoberfläche abbildet, die im Verhältnis zum Ab­ tastwinkel steht. Dieser optische Strahl wird abgebildet in einer konjugierten Beziehung zwischen dem rotierenden Poly­ gonspiegel und der Abtastoberfläche bezüglich der Sub-Ab­ tastrichtung, die senkrecht zur Hauptabtastrichtung ver­ läuft, so daß er durch Drehung des Polygonspiegels und in­ folge der Reflexion an den reflektierenden Oberflächen die­ ses rotierenden Polygonspiegels abgelenkt werden kann. Die oben beschriebene fR-Linse weist individuelle Brennweiten in Hauptabtastrichtung und in Sub-Abtastrichtung auf, wobei die Brennweite (focal length) in Sub-Abtastrichtung asymme­ trisch in Lateralrichtung vergrößert ist, und zwar mit zu­ nehmendem Abstand von der optischen Achse.

Die Lateralvergrößerung der Abtastlinse nach der Erfindung weist einen Wert von 3 oder darüber auf, der jedoch nicht größer als 5 ist. Sei angenommen, daß der Radius des rotie­ renden Polygonspiegels 30 bis 50 mm ⌀ beträgt, so ergibt sich eine Bewegung der reflektierenden Oberfläche des ro­ tierenden Polygonspiegels von im wesentlichen 1 mm. Die Feldkrümmungsaberration infolge der oben beschriebenen Be­ wegung kann, wie ebenfalls bereits beschrieben, durch Ver­ wendung einer asphärischen Oberfläche eliminiert werden, die einen Krümmungsradius aufweist, der asymmetrisch in La­ teralrichtung ist. Unter Berücksichtigung der Positionsge­ nauigkeit des rotierenden Polygonspiegels und der Abtast­ linse sei angenommen, daß die reflektierende Oberfläche 40, die an einer Position 40 2 positioniert ist, um z. B. 0,3 mm von der gewünschten Position 40 1 abweicht, so daß sich die Position p0 des reflektierten Bildes entsprechend der ge­ strichelten Linie in Fig. 6 zur Position p0′ verschiebt, also im wesentlichen um 0,6 mm, was das Doppelte der oben beschriebenen Ablenkung von 0,3 mm ist. Als Ergebnis der Verschiebung des Bildpunkts P auf der Oberfläche der photo­ empfindlichen Trommel, die in quadratischer Weise von der Lateralvergrößerung der Abtastlinse abhängt, wird der Punkt P′ erreicht. Sei angenommen, daß die Lateralvergrößerung den Wert 3 bis 5 aufweist, so beträgt die Verschiebung PP′ auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 5,4 bis 15 mm. Die F-Zahl der Abtastlinse einer Abtast- bzw. Scan- Einrichtung, die z. B. ein Laserdrucker oder dergleichen sein kann, weist im wesentlichen eine Größe von 100 auf. Der Brennpunktabstand (focal depth) läßt sich in Form eines PP-Werts wie folgt ausdrücken:

4F² · λ (7)

Ein Brennpunktabstand von im wesentlichen 15 mm wird erhal­ ten bei Verwendung eines Werts 2F2λ, der ein Ergebnis der Verteilung des oben beschriebenen Werts 4F2×λ sowohl zur positiven Seite als auch zur negativen Seite hin ist, und infolge der Annahme, daß die Wellenlänge des verwendeten Strahls bei λ=0,78 µm liegt.

Der rotierende Polygonspiegel und die Abtastlinse können daher innerhalb des Bereichs des Brennpunktabstands mit der Positionsgenauigkeit von 0,3 mm oder kleiner angeordnet werden, und zwar bei Wahl der Lateralvergrößerung der Ab­ tastlinse zwischen 3 bis 5, was vorteilhaft ist im Hinblick auf die Herstellungsrate. Überschreitet die Lateralvergrö­ ßerung den Wert 5, so ist eine höhere Positionsgenauigkeit im Hinblick auf den rotierenden Polygonspiegel und die Ab­ tastlinse erforderlich, was Schwierigkeiten bei der Montage der Einrichtung bereitet. Ist dagegen die Lateralvergröße­ rung kleiner als 3, so muß die Abtastlinse näher an die photoempfindliche Trommel herangebracht werden, wodurch es notwendig wird, den Durchmesser der Linse zu vergrößern.

Die Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Laser­ druckers, der als Ausführungsbeispiel einer optischen Ab­ tast- bzw. Scan-Einrichtung nach der Erfindung anzusehen ist. Er enthält ein rotationsasymmetrisches, asphärisches FR-Objektiv 1, eine Laserstrahlenquelle 2, eine Kollimatorlin­ se 20, eine Zylinderlinse 3, einen rotierenden Polygonspie­ gel 10 und eine photoempfindliche Trommeloberfläche 15.

Laserstrahlen 100, die von der Laserstrahlenquelle 2 emit­ tiert werden, laufen durch die Kollimatorlinse 20 hindurch, durch die sie parallelisiert werden. Die Zylinderlinse 3 ist so angeordnet, daß sie nur in Sub-Abtastrichtung (y- Richtung) wirkt. Im Ergebnis werden die Laserstrahlen, die von der Kollimatorlinse 20 kommen, auf der reflektierenden Oberfläche 40 des rotierenden Polygonspiegels 10 zusammen­ geführt, und zwar in Sub-Abtastrichtung, also in y-Rich­ tung, während in Hauptabtastrichtung parallele optische Strahlen auf die reflektierende Oberfläche 40 auftreffen, so daß ein länglicher Beleuchtungsfleck (spot) entsteht. Diese reflektierende Oberfläche 40 und die Abtastoberfläche 15, in der die photoempfindliche Trommel angeordnet ist, befinden sich in geometrisch-optischer, konjugierter Bezie­ hung bezüglich der Sub-Abtastrichtung, also bezüglich der y-Richtung. Das Abtastobjektiv 1 (fR-Objektiv) zur Ausführung der Laserabtastung enthält: eine erste Linse mit Linsenoberflä­ chen 11 und 12, von denen jede eine rotationssymmetrische Achse aufweist, die durch eine asphärische Oberfläche oder eine Ebene gebildet ist, sowie eine zweite Linse mit einer Linsenoberfläche 13, die durch eine Ebene oder sphärische Oberfläche gebildet ist, und einer Linsenoberfläche 14, die eine rotationsasymmetrische, asphärische Oberfläche ent­ hält. Das auf diese Weise gebildete Abtastobjektiv 1 dient da­ zu, die vom rotierenden Polygonspiegel abgelenkten Paral­ lelstrahlen auf der Abtastoberfläche zusammenzuführen, also auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 15, wenn eine Abbildung in Hauptabtastrichtung (x-Richtung) ausge­ führt wird.

Die Spezifikationen des Abtastobjektivs 1 sind in nachfolgender Tabelle 1 zusammengestellt. Entsprechend dieser Tabelle 1 ist der Ausdruck der reflektierenden Oberfläche 40 des rotierenden Polygonspiegels 10 zugeordnet, während die Aus­ drücke bis den Oberflächen der Abtastlinse 1 zugeordnet sind. Der Ausdruck entspricht der Linsenoberfläche 11, die durch eine sphärische Oberfläche mit rotationsasymme­ trischer Achse gebildet ist, während die Ausdrücke und den Linsenoberflächen 12 und 13 zugeordnet sind, die je­ weils durch eine Ebene gebildet sind. Der Ausdruck ist der Linsenoberfläche 14 zugeordnet, die durch eine rota­ tionsasymmetrische, asphärische Oberfläche gebildet ist, während der Ausdruck der Oberfläche der photoempfindli­ chen Trommel zugeordnet ist, wobei r ein Krümmungsradius, d ein Abstand zwischen Oberflächen und n ein Brechungsindex sind. Die Werte von r in Tabelle 1 weisen entweder positi­ ves oder negatives Vorzeichen auf, je nach Richtung der Oberfläche. Ein negatives Vorzeichen trägt der Tatsache Rechnung, daß das Krümmungszentrum an der negativen Seite der Oberfläche positioniert ist, wenn sich die Strahlen in Richtung von der negativen Seite zur positiven Seite hin fortpflanzen.

Tabelle 1

Das Abtastobjektiv 1 zeichnet sich durch die asphärische Oberfläche 14 in aus. Die Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Form einer asphärischen Oberfläche 14 nach der Erfindung. Entsprechend der Fig. 5 repräsentiert Ro ei­ nen Krümmungsradius in Sub-Abtastrichtung am Abtastzentrum (R=0), während Rx und R-x Sub-Abtast-Krümmungsradien in x- Koordinatenrichtung und in -x-Koordinatenrichtung jeweils repräsentieren, für die die Beziehung Rx ≠ R-x gilt. Die asphärische Oberfläche 14 nach der Erfindung enthält insbe­ sondere eine asphärische Oberfläche, die durch die abwech­ selnd langen und kurzen Linien dargestellt ist, und die dadurch erhalten wird, daß ein Wert von 3×10-7 (xy)2 an Koordinaten (x, y) (markiert durch die gestrichelte Linie ) zu einer torischen Oberfläche f (x, y) (markiert durch die ununterbrochene Linie ) hinzuaddiert wird, die so ausgebildet ist, daß der Absolutwert des Krümmungsradius Ry in Hauptabtastrichtung 155,7 mm und der Absolutwert des Krümmungsradius Ro in Sub-Abtastrichtung 49,22 mm betragen, wobei darüber hinaus der Wert Δ an Koordinaten (x, y) der zuletzt erhaltenen Oberfläche hinzuaddiert wird. C ergibt sich also aus A+B+Δ, wobei sich A aus f (x, y) und B aus f (x, y)+3×10-7 (xy)2 ergeben. Das Symbol Δ reprä­ sentiert Werte, die z. B. in Tabelle 2 angegeben sind. Je­ der der Werte Δ wird an Koordinaten (x, y) hinzuaddiert, so daß sich schließlich die Linsenoberfläche in z-Richtung, also in Richtung der optischen Achse, über einen Abstand verschiebt, der durch den Ausdruck Δ bestimmt ist. Die nicht in Tabelle 2 gezeigten Werte von Δ an entsprechenden Koordinaten (x, y) lassen sich durch polynomische Approxi­ mation bestimmen, wobei die in Tabelle 2 angegebenen Werte als Stützpunkte benutzt werden. Die Lateralvergrößerung dieser Abtastlinse in Sub-Abtastrichtung weist einen Wert von im wesentlichen 4,5 auf.

Tabelle 2

Asymmetrische Spline-Daten

Da entsprechend der Tabelle 2 die Werte Δ Vorzeichen auf­ weisen, die zu den Vorzeichen von x invertiert sind, ist es augenscheinlich, daß die asphärische Oberfläche gemäß in Fig. 5 eine Form aufweist, die asymmetrisch bezüglich der x-Koordinate ist. Der Krümmungsradius Rx in Sub-Abtastrich­ tung wird gemäß Fig. 7 asymmetrisch bezüglich des Abtast­ zentrums (R=0). Im Beispiel nach Fig. 7 weist der Krüm­ mungsradius in Sub-Abtastrichtung einen Wert Ro=49,22 mm auf und nimmt nach jedem Ende hin in asymmetrischer Weise einen größeren Wert R-x=53,7 mm und R+x=54,7 mm an. Derartige asphärische Oberflächen lassen sich durch direkte Bearbeitung mit einer numerisch gesteuerten (NC) Schleifma­ schine herstellen.

In Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel ist der rotierende Polygonspiegel 10 so ausgebildet, daß er einen Radius von 32 mm aufweist, die Anzahl seiner Oberflächen acht beträgt, der Einfallswinkel β des Laserstrahls 41 66° ist und die Konfiguration bezüglich der optischen Achse (z- Achse) mit der in Fig. 8 gezeigten übereinstimmt. Werden die mit diesem rotierenden Polygonspiegel 10 abgelenkten Laserstrahlen durch das oben beschriebene Abtastobjektiv 1 ab­ gebildet, so erfolgt eine solche Fokussierung, bei der die Feldkrümmungsaberration auf 2 mm begrenzt bleibt, und zwar innerhalb eines Bereichs des Abtast-Beobachtungswinkels R von ±29°, wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 9 an­ gegeben ist. Im Ergebnis wird ein gleichmäßig konvergenter Leuchtfleck bzw. Spot von 60×100 µm erhalten. Die gestri­ chelte Linie in Fig. 9 kennzeichnet die Position der Bild­ oberfläche in Sub-Abtastrichtung, wenn jegliche asymmetri­ sche Oberfläche fehlt, also kein Wert Δ hinzugefügt worden ist. Es ist somit augenscheinlich, daß die Differenz zwi­ schen dieser gestrichelten Linie und der durchgezogenen Li­ nie in Fig. 9 durch den Wert von Δ kompensiert werden kann.

Wie oben beschrieben, läßt sich jede Feldkrümmungsaberra­ tion, die in Sub-Abtastrichtung erzeugt wird, wenn Laser­ strahlen schräg auf den rotierenden Polygonspiegel auftref­ fen, dadurch eliminieren, daß die Oberfläche der Abtastlin­ se asymmetrisch bezüglich der optischen Abtastachse ausge­ bildet wird. Demzufolge läßt sich eine Abtastung mit einer Oberflächenneigungs-Kompensationsfunktion durchführen, und zwar bei hohem Auflösungsvermögen und über einen großen Be­ obachtungswinkel.

Claims (12)

1. Optische Abtasteinrichtung mit
  • - einer Lichtquelle (2) ,
  • - einem rotierenden Polygonspiegel (10) zur Ablenkung von optischen Strahlen, die von der Lichtquelle (2) emittiert werden, um eine Abtastoberfläche (15) abzutasten,
  • - einem zwischen dem rotierenden Polygonspiegel (10) und der Abtastoberfläche (15) angeordneten Abtastobjektiv (1) zur Abbildung von rotierendem Polygonspiegel (10) und Ab­ tastoberfläche (15) in geometrisch-optisch konjugierter Beziehung bezüglich einer Sub-Abtastrichtung (y), die senkrecht zu einer Hauptabtastrichtung (x) liegt, entlang deren die Abta­ stung mittels des rotierenden Polygonspiegels (10) er­ folgt, sowie zur Abbildung der an einer reflektierenden Oberfläche (40) des rotierenden Polygonspiegels (10) ab­ gelenkten optischen Strahlen an einer Position auf der Abtastoberfläche (15) in Übereinstimmung mit seinem Ab­ tastwinkel, wobei das Abtastobjektiv (1) ein Linsensystem mit individuellen Brennweiten in Haupt- und Sub-Abtastrichtung (x; y) aufweist, und
  • - einem zwischen der Lichtquelle (2) und dem rotierenden Polygonspiegel (10) angeordneten optischen System (20, 3), das die von der Lichtquelle (2) emittierten optischen Strahlen in Sub-Abtastrichtung (y) konvergent zusammen­ führt und sie ferner, bezogen auf die optische Achse (z) des Abtastobjektivs (1), schräg auf eine reflektierende Ober­ fläche (40) des rotierenden Polygonspiegels (10) auftref­ fen läßt, um auf der reflektierenden Oberfläche (40) des rotierenden Polygonspiegels (10) eine längliche und sich in Hauptabtastrichtung (x) erstreckende Strahlquer­ schnittsform zu erhalten,
dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Linsensystem des Abtast­ objektivs (1) die Brennweite bezogen auf die Sub-Abtastrich­ tung (y) mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse (z) asymmetrisch ansteigt.
2. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastlinse (1) eine asphärische Oberfläche mit individuellen Krümmungsradien in Hauptab­ tastrichtung (x) und in Sub-Abtastrichtung (y) aufweist, und daß die asphärische Oberfläche so ausgebildet ist, daß ihr Krümmungsradius in Sub-Abtastrichtung (y) mit zunehmen­ dem Abstand von der optischen Achse (z) in Lateralrichtung asymmetrisch und monoton ansteigt.
3. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lateralvergrößerung des Ab­ tastobjektivs (1) in Sub-Abtastrichtung (y) im Bereich von 3 bis 5 liegt.
4. Optische Abtasteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastobjektiv (1) eine erste Linse mit rotationssymmetrischen Oberflächen an ihren beiden Seiten (11, 12) und eine zweite Linse auf­ weist, die eine rotationssymmetrische Oberfläche (13) und die asphärische Oberfläche (14) besitzt.
5. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die rotationssymmetrische Oberfläche (13) eben ist.
6. Optische Abtasteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Kollimatorlinse (20) zur Parallelisierung der von der Lichtquelle (2) emittierten optischen Strahlen sowie eine Zylinderlinse (3) aufweist, um die von der Kollimatorlinse (20) kommenden optischen Strahlen bezüglich der Sub-Abtast­ richtung (y) konvergent zusammenzuführen.
7. Optische Abtasteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastoberfläche (15) die Oberfläche einer photoempfindlichen Trommel ent­ hält und in einem Laserdrucker verwendet wird.
8. Abtastobjektiv (1) zum Abbilden eines rotierenden Poly­ gonspiegels (10) und einer Abtastoberfläche (15) in konju­ gierter Beziehung bezüglich einer Sub-Abtastrichtung (y), die senkrecht zu einer Hauptabtastrichtung (x) liegt, sowie zum Abbilden von optischen Strahlen an einer Position auf der Abtastoberfläche (15) in Übereinstimmung mit einem Ab­ tastwinkel, mit einer asphäri­ schen Oberfläche (14) mit individuellen Krümmungsradien in Hauptabtastrichtung (x) und in Sub-Abtastrichtung (y), dadurch gekennzeichnet daß der in Sub-Abtastrichtung (y) liegende Krüm­ mungsradius der asphärischen Oberfläche (14) in Lateralrichtung mit zuneh­ mendem Abstand von der optischen Achse (z) asymmetrisch ansteigt.
9. Abtastobjektiv nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß seine Lateralvergrößerung in Sub-Abtastrichtung (y) im Bereich von 3 bis 5 liegt.
10. Abtastobjektiv nach Anspruch 8 oder 9, gekenn­ zeichnet durch eine erste Linse, deren beide Oberflächen (11, 12) rotationssymmetrisch sind, sowie eine zweite Linse, die eine rotationssymmetrische Ober­ fläche (13) und die asphärische Oberfläche (14) aufweist.
11. Abtastobjektiv nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die rotationssymmetrische Oberfläche (13) eben ist.
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