DE4403549B4

DE4403549B4 - Laserabtastvorrichtung und Optisches Abtastsystem

Info

Publication number: DE4403549B4
Application number: DE4403549A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Katsuta Mochizuki; Susumu Katsuta Saito
Original assignee: Hitachi Printing Solutions Inc
Current assignee: Ricoh Technologies Co Ltd
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2014-02-05
Also published as: JPH06230307A; JP3269159B2; US5701190A; DE4403549A1

Abstract

Laserabtastvorrichtung, umfassend
– eine zur Anordnung in einem Laserstrahl (20) einer Laserstrahlquelle vorgesehene optische Einrichtung (1) zur Erzeugung eines zeilenförmigen Bildes;
– eine Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (3) mit einer reflektierenden Fläche (33), welche in dem von der Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahl (20) hinter der ein zeilenförmiges Bild erzeugenden optischen Einrichtung (1) angeordnet ist; und
– ein optisches Abtastsystem (4), welches einen von der reflektierenden Fläche (33) der Licht-Ablenkeinrichtung (3) reflektierten Laserstrahl auf eine durch den Laserstrahl abzutastende Fläche (11) in Abtastrichtung (X) derart fokussiert, dass das zeilenförmige Bild auf diese Fläche abgebildet wird, wobei das optische Abtastsystem (4) eine asphärische Linse (42) mit mindestens einer asphärischen Linsenfläche umfasst, deren Krümmungsradius von einem zentralen Bereich zum jeweiligen Randbereich hin in einer Richtung (Y) senkrecht zur Abtastrichtung (X) zunimmt;
wobei
– das optische Abtastsystem (4) eine Zylinderlinse (43) positiver Brechkraft umfasst, die zwischen der asphärischen Linse (42) und der abzutastenden...

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserabtastvorrichtung und ein optisches Abtastsystem, vorzugsweise zur Verwendung bei einem hochauflösenden Laserdrucker.

Konventionelle Laserdrucker verwenden die Kombination eines Abtastlinsensystems und eines sich drehenden Polygonalspiegels, der als Lichtablenkvorrichtung dient. Der Polygonalspiegel lenkt einen Laserstrahl so ab, dass dieser die Oberfläche einer Photorezeptortrommel abtastet.

Der Wunsch nach der Erzeugung von Bildern mit höherer Auflösung mit Laserdruckern nimmt ständig zu. Um diesen Wunsch nach einer höheren Bildauflösung zu erfüllen, ist es erforderlich, dass ein kleiner Punkt eines stabilen Laserstrahls über einem gesamten Abtastbereich erzeugt wird.

Es gibt verschiedene Vorschläge zur Erfüllung dieser Anforderungen, u. a. einen Vorschlag zur Verwendung mehrerer sphärischer Linsen und einer länglichen Zylinderlinse zur Bildung eines Abtastlinsensystems für einen Laserscanner, welcher zum Einsatz bei einem Laserdrucker geeignet ist.

Eine Schwierigkeit bei diesem Vorschlag besteht darin, dass die Krümmung einer Bildfläche in einer Richtung senkrecht zur Abtastrichtung in Abhängigkeit von Änderungen des Einfallwinkels eines Laserstrahls auf die längliche Zylinderlinse unberücksichtigt bleiben. Eine mit diesem Vorschlag zusammenhängende Vorgehensweise ist in der japanischen Veröffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung JP 50-9372 A beschrieben.

Ein weiterer Vorschlag zur Verbesserung des Abtastlinsensystems zur Verwendung mit einem Laserscanner vorzugsweise für einen Laserdrucker besteht in der Verwendung einer torischen Linse. Dabei ist eine Verringerung der Abmessungen des Laserdruckers erzielbar und darüber hinaus kann die Krümmung einer Bildfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung kleiner, gewählt werden kann als im Falle der Verwendung einer länglichen Zylinderlinse. Dieser Vorteil der Verringerung der Bildfeldkrümmung in einer Richtung normal zur Abtastrichtung ist dabei allerdings begrenzt, da die torische Linse einen festen Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung aufweist. Eine sich auf diesen Vorschlag beziehende Vorgehensweise ist in der japanischen Veröffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung JP 57-35825 A beschrieben.

Ein weiterer Vorschlag zur Verbesserung des Abtastlinsensystems zur Verwendung bei einem Laserscanner für einen Laserdrucker besteht in der Verringerung der Bildfeldkrümmung in einer Richtung normal zur Abtastrichtung auf einen Minimalwert durch Verwendung einer Linse, welche eine asphärische, nicht rotationssymmetrische Linsenfläche aufweist, deren Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung entsprechend der Position der Laserstrahlablenkung variiert. Allerdings stellt die Verwendung einer asphärischen Linse Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit. Eine sich auf diesen Vorschlag beziehende Vorgehensweise ist in der japanischen Veröffentlichung einer ungeprüften Patentanmeldung JP 62-26561 A beschrieben.

Aus der US 5 025 268 ist ein optisches Abtastsystem bekannt mit einer Lichtablenkeinrichtung und einer asphärischen Linse, bei welcher mindestens eine Linsenfläche in einer Richtung senkrecht zur Abtastrichtung einen Krümmungsradius aufweist, welcher von einem mittleren Linsenbereich zu den Endbereichen der Linse hin zunimmt.

Ein im Prinzip ähnliches Abtastsystem ist auch aus US 4 971 411 bekannt.

Zur Kompensierung einer Bildfeldkrümmung bei einem optischen Abtastsystem ist es aus der US 5 005 928 sowie aus einer Veröffentlichung in der Zeitschrift "Applied Optics", Bd. 30, Nr. 6, vom 20.02.1991, Seiten 699-704 bekannt, in einem optischen Abtastsystem eine weitere Zylinderlinse positiver Brechkraft vorzusehen, die zwischen dem zu korrigierenden optischen Abtastsystem und einer abzutastenden Fläche angeordnet wird.

Zylinderlinsen mit einer zylindrischen und einer planen Linsenfläche sind auch aus der US 5 052 767 bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserabtastvorrichtung bzw. ein optisches Abtastsystem mit einer asphärischen Linse mit mindestens einer asphärischen Linsenfläche zu schaffen, wobei bei einem vergheichsweise einfachen optischen Aufbau eine unerwünschte Bildfeldkrümmung in dem von der Abtastvorrichtung bzw. dem Abtastsystem erzeugten Bild mit großer Genauigkeit vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Laserabtastvorrichtung nach dem Patentanspruch 1 bzw, mit einem optischen Abtastsystem nach dem Patentanspruch 5 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den diesen Patentansprüchen jeweils nachgeordneten Unteransprüchen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben und näher erläutert, woraus auch weitere Vorteile der Erfindung hervorgehen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung;
2 Teile eines rotierenden Polygonspiegels der Ausführungsform gemäß 1;
3 einen Graphen der Bildfeldkrümmung in Abhängigkeit von der prozentualen Änderung der Brechkraft (α) bei Änderungen des Krümmungsradius einer asphärischen Linse in einer Richtung senkrecht zur Abtastrichtung;
4 eine Darstellung zur Erläuterung des Entstehens einer Bildfeldkrümmung infolge von Abweichungen im Krümmungsradius einer asphärischen Linsenfläche in einem konventionellen optischen Abtastsystem;
5 eine Darstellung zur Erläuterung des Entstehens einer Bildfeldkrümmung infolge von Abweichungen im Krümmungsradius einer asphärischen Linsenfläche in dem optischen Abtastsystem gemäß 1;
6 eine Veranschaulichung des Strahlengangs in dem optischen Abtastsystem nach 1 im Schnitt senkrecht zur Abtastrichtung
7 eine Veranschaulichung des Strahlengangs in einem konventionellen optischen Abtastsystem im Schnitt senkrecht zur Abtastrichtung
8 eine Veranschaulichung des Strahlengangs in dem optischen Abtastsystem nach 1 im Schnitt senkrecht zur Abtastrichtung im Falle des Auftretens eines Fehlers im Krümmungsradius einer Linse;
9 eine Veranschaulichung des Strahlengangs in einem konventionellen optischen Abtastsystem im Schnitt senkrecht zur Abtastrichtung im Falle des Auftretens eines Fehlers im Krümmungsradius einer Linse;
10 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Ausbildung einer Bildfeldkrümmung in dem optischen Abtastlinsensystem nach 1; und
11 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Ausbildung einer Bildfeldkrümmung in dem konventionellen optischen Abtastlinsensystem.
In der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen sind Flächen von Linsen teilweise als Linsenflächen und teilweise als Oberflächen bezeichnet, was gleich bedeutende Bezeichnungen sind.
In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein optisches Element, welches ein Linienbild erzeugt; 3 ist ein sich drehender Polygonspiegel, der als Lichtablenkvorrichtung dient; 4 ist ein Abtastlinsensystem; 11 ist die Oberfläche einer Photorezeptortrommel, die abgetastet werden soll (nachstehend einfach als "die abzutastende Oberfläche" bezeichnet); 12 ist eine Kollimatorlinse; 20 ist ein Abtaststrahl; 22 ist eine Laserlichtquelle; 33 ist eine der reflektierenden Flächen des sich drehenden Polygonspiegels 3; 42 ist eine asphärische, nicht-rotationssymmetrische Linse, deren Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung sich entsprechend des Ortes des abgelenkten Strahles ändert; und 43 ist eine Linse, die aus einer zylindrischen Linsenfläche und einer ebenen Linsenfläche besteht. Diese Bauteile bilden zusammen einen Laserscanner.
Wie in 1 gezeigt, werden die von der Laserlichtquelle 22 ausgesandten Abtaststrahlen beim Durchgang durch die Linse 12 kollimiert. Das ein Linienbild erzeugende optische Element 1 ist auf solche Weise vorgesehen, dass es auf die Strahlen nur in der Richtung eines Pfeils Y einwirkt, nämlich in der Richtung normal zu einer ebenen Oberfläche, welche die kollimierten (parallelen) Strahlen einschließt. Durch diese Anordnung lässt der sich drehende Polygonspiegel 3 eine Fokussierung der Strahlen in der Y-Richtung auf der reflektierenden Fläche 33 zu.
Die reflektierende Fläche 33 und die abzutastende Oberfläche 11 stehen in einer Beziehung konjugierter optischer Strahlen in Bezug auf eine Richtung normal zur Abtastrichtung.
Das Abtastlinsensystem 4, welches eine Strahlabtastung auf der Photorezeptortrommel 11 durchführt, welche die abzutastende Oberfläche darstellt, besteht aus drei Linsenelementen. Ein Element 41, welches dem Polygonspiegel 3 relativ am nächsten liegt, umfasst eine sphärische Linsenfläche; das zentrale Element 42 weist sowohl eine ebene Linsenfläche als auch eine asphärische, nicht-rotationssymmetrische Linsenfläche auf, deren Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung sich entsprechend der Position der Strahlablenkung ändert (wobei dieses Element nachstehend als eine "asphärische Linse" bezeichnet wird), und ein Element 43, welches sich am weitesten von dem Polygonspiegel 3 entfernt befindet und eine zylindrische und eine ebene Linsenfläche aufweist (wobei dieses Element nachstehend als "Zylinderlinse" bezeichnet wird).
Dieses Abtastlinsensystem 4 kann die parallelen Strahlen auf die abzutastende Oberfläche 11 fokussieren, soweit die Bilderzeugung in der Hauptabtastrichtung (durch einen Pfeil X bezeichnet) betroffen ist.
Das ein Bild erzeugende optische Element 1 und das Abtastlinsensystem 4 können die optischen Werte aufweisen, die nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt sind. TABELLE 1
a = 3.70 E-6
b = 2.80 E-7
c = 3.00 E-11
In Tabelle 1 sind die Linsenflächen (1) und (2) die Linsenflächen des ein Linienbild erzeugenden optischen Elements 1, die optische Fläche (3) ist die reflektierende Fläche 33 des Polygonspiegels 3, die Linsenflächen (4) bis (10) sind die Linsenflächen des Abtastlinsensystems 4, und die Oberfläche (11) ist die abzutastende Oberfläche 11. Weiterhin bezeichnet in Tabelle 1 R den Krümmungsradius, gemessen auf der optischen Achse in der Abtastrichtung; r bezeichnet den Krümmungsradius, gemessen auf der optischen Achse in einer Richtung normal zur Abtastrichtung; d bezeichnet den Abstand zwischen Linsenflächen; und n bezeichnet den Brechungsindex. Die Form der Linsenfläche (8) ist durch die nachstehenden Gleichungen (A) und (B) gegeben, wobei die Z-Koordinate entlang der optischen Achse verläuft und positiv (+) in Richtung auf die abzutastende Oberfläche 11 ist. Die X- bzw. Y-Koordinate ist positiv (+) in der jeweiligen Richtung, die durch die zugehörigen Pfeile in 1 angegeben ist. Der Schnittpunkt einer einzelnen Linsenfläche und der optischen Achse ist gegeben durch X, Y, Z = 0.
Darin sind a, b und c Konstanten.
In Gleichung (A) bezieht sich d auf einen asymmetrischen Term, wie anhand der Abtastpunkte verdeutlicht ist, die nachstehend in Tabelle 2 angegeben sind. Alle anderen Positionen, die nicht in Tabelle 2 gezeigt sind, ergeben sich durch Polynom-Approximationen. TABELLE 2
2 zeigt Einzelheiten des sich drehenden Polygonspiegels 3, der bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Der Spiegel 3 weist acht reflektierende Flächen auf. Der einbeschriebene Kreis hat einen Radius W von 32,5 mm; der Strahleinfallswinkel β beträgt 60°; und die Lageverschiebung gegenüber dem Drehzentrum beträgt 1,36 mm.
Das ein Linienbild erzeugende optische Teil 1 und das Abtastlinsensystem 4, können die nachstehend in Tabelle 3 angegebenen Werte aufweisen, wenn sie entsprechend dem Stand der Technik hergestellt sind. TABELLE 3
n = 1.27 E-6
b = 3.02 E-7
c = 0
Die Form der Oberfläche (8) ergibt sich anhand der nachstehenden Gleichungen (A) und (B):
Hierbei sind a, b und c Konstanten. In Gleichung (A) betrifft d einen asymmetrischen Term, der durch die Abtastpunkte verdeutlicht wird, die nachstehend in Tabelle 4 angegeben sind. Alle anderen in Tabelle 4 gezeigten Positionen ergeben sich durch Polynom-Approximationen.
Die Form und Anordnung des sich drehenden Polygonspiegels 3 sind bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ebenso wie in 2. TABELLE 4
In 3 sind die Absolutwerte der Bildfeldkrümmung F in Abhängigkeit von der prozentualen Änderung der Brechkraft (α) infolge von Abweichungen des Krümmungsradius einer asphärischen Linse in einer Richtung normal zur Abtastrichtung aufgetragen. In 3 stellt die durch die Bezugsziffer 50 bezeichnete, durchgezogene Linie die Absolutwerte der Bildfeldkrümmung F bei der vorliegenden Ausführungsform dar, und die gestrichelte Linie 60 zeigt die Absolutwerte von F bei einem hier in Betracht gezogenen Stand der Technik. In beiden Fällen nimmt der Absolutwert der Feldkrümmung mit steigender prozentualer Änderung der Brechkraft der asphärischen Linse zu; allerdings sind die Werte für die vorliegende Ausführungsform nur etwa ein Achtel so groß wie die Werte bei diesem Stand der Technik.
Das Linsensystem, welches als Abtastlinse eine torische Linse verwendet, weist eine zusammengesetzte Hauptebene nahe bei der torischen Oberfläche dieser Linse auf und kann daher als Äquivalent zu einem Fall nach dem Stand der Technik, der durch die Linie 60 dargestellt ist, angesehen werden.
Die Funktion des Laserscanners gemäß der Ausführungsform mit dem voranstehend beschriebenen Aufbau wird nachstehend mit der Funktion des Laserscanners mit einem Aufbau nach dem vorgenannten Stand der Technik verglichen. In der nachstehenden Beschreibung wird der Scanner, bei welchem das Abtastlinsensystem 4 aus der Zylinderlinse 43, der asphärischen Linse 42 usw. gemäß 1 besteht, als System gemäß der vorliegenden Ausführungsform bezeichnet, wogegen der Scanner, bei welchem das Abtastlinsensystem 4 aus der Linse 44 besteht, welche eine asphärische, nicht-rotationssymmetrische Oberfläche aufweist, deren Krümmungsradius r in einer Richtung normal zur Abtastrichtung sich entsprechend der Richtung der Strahlablenkung wie beim Stand der Technik ändert, jedoch die Zylinderlinse 43 nicht verwendet wird, als das konventionelle System bezeichnet wird. Bei der nachstehenden Beschreibung des konventionellen Systems unter Bezugnahme auf 4 werden der Krümmungsradius, die Oberfläche, auf welcher die abgelenkten Strahlen ein Bild erzeugen (die nachstehend als "Bildfläche" bezeichnet wird), und die Krümmung der Bildfläche sämtlich in Bezug auf eine Richtung normal zur Abtastrichtung betrachtet. Die Bauteile, die in 4 durch gleiche Bezugszeichen wie in
1 bezeichnet werden, entsprechen diesen und werden daher nicht erneut im einzelnen beschrieben. Nachstehend werden nur die Bauteile beschrieben, die durch ungleiche Bezugszeichen bezeichnet sind; hierbei bezeichnet 13 die Bildfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung, und 44 eine asphärische Linse.
Der Krümmungsradius der asphärischen Linse 44 ändert sich entsprechend dem Ort der Strahlablenkung, um eine Null-Krümmung des Bildfeldes zu erzeugen; in Abwesenheit von Fehlern des Krümmungsradius fällt daher die Bildoberfläche 13 vollständig mit der abzutastenden Oberfläche 11 zusammen. Allerdings kann der Krümmungsradius gelegentlich einen Fehler aufweisen, beispielsweise in einem Fall, in welchem kein Fehler in dem zentralen Abtastabschnitt der asphärischen Linse 44 auftritt, jedoch ein negativer Fehler in einem der Endabschnitte des Abtastbereiches (so dass daher der Krümmungsradius zu klein ist). In einem derartigen Fall wird der Strahl 2, der durch den zentralen Abtastabschnitt gelangt, der einen vorbestimmten Krümmungsradius aufweist, korrekt fokussiert, um ein Bild in der abzutastenden Bildfläche 11 zu erzeugen.
Andererseits weisen diese beiden Endabschnitte des Abtastbereiches der asphärischen Linse 44 einen Krümmungsradius auf, der kleiner ist als ein vorbestimmter Wert, und bewirken daher eine zu hohe Brechkraft, welche dazu führt, dass der hindurchgehende Strahl 20 vor der abzutastenden Oberfläche 11 fokussiert wird. Dies führt dazu, dass sich eine gekrümmte Bildfläche 13 ergibt.
Der Scanner, bei welchem eine asphärische, nicht-rotationssymmetrische Linse, deren Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung sich mit der Position der Strahlablenkung ändert, als Abtastlinse verwendet wird, erzeugt daher eine Bildfeldkrümmung infolge von Fehlern des Krümmungsradius der asphärischen Oberfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung.
Im Gegensatz hierzu besteht das System gemäß der vorliegenden Ausführungsform, welches in 5 gezeigt ist, aus der asphärischen Linse 42, der zylindrischen Linse 43, die eine positive Brechkraft aufweist, usw. Die Bauteile, die in 5 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind wie jene Bauteile von 1 stellen deren Äquivalente dar und werden daher hier nicht erneut beschrieben. Nachstehend wird nur das Bauteil, welches durch eine andere Bezugsziffer bezeichnet wird, beschrieben; daher bezeichnet die Bezugsziffer 13 die Bildfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung.
Der Krümmungsradius der asphärischen Linse 42 ändert sich entsprechend der Position der Strahlablenkung derart, dass eine Null-Krümmung des Bildfeldes einschließlich der Wirkung der Zylinderlinse 43 erzeugt wird; in Abwesenheit von Fehlern bezüglich des Krümmungsradius fällt daher die Bildfläche 13 vollständig mit der abzutastenden Oberfläche 11 zusammen.
Falls ein Fehler bei dem Krümmungsradius auftritt, ergibt sich eine gekrümmte Bildfläche 13, jedoch besteht, wie bereits erwähnt, das Abtastlinsensystem 4 gemäß der vorliegenden Erfindung aus der Zylinderlinse 43, der asphärischen Linse 42, usw., und diese Konstruktion verringert wirksam die Bildfeldkrümmung infolge von Fehlern des Krümmungsradius der asphärischen Linse in einer Richtung normal zur Abtastrichtung.
6 zeigt, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das System gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird. 7 zeigt, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das konventionelle System erzeugt wird.
In 6 bezeichnet die Bezugsziffer 15 eine Ebene, welche durch den zusammengesetzten Hauptpunkt der asphärischen Linse 42 und der Zylinderlinse 43 geht, und welche normal zur optischen Achse verläuft, und 16 bezeichnet eine Ebene, die durch den Schnittpunkt der optischen Achse und des Strahls geht, der durch die asphärische Linse 42 gebrochen wird, und normal zur optischen Achse verläuft.
Zur Vereinfachung wird die Entfernung zwischen dem Hauptpunkt auf der Objektseite und dem Hauptpunkt auf der Bildseite in der nachstehenden Diskussion vernachlässigt, und stattdessen von einem einzigen Hauptpunkt ausgegangen.
Es wird angenommen, dass die asphärischen Linsen 42 und 44 eine Brechkraft P₁ bzw. P₂ aufweisen in einer Richtung normal zur Abtastrichtung, und dass sie sich an denselben Orten befinden, sowohl bei dem System gemäß der vorliegenden Ausführungsform als auch bei dem konventionellen System. Die Brechkraft der Zylinderlinse 43 in einer Richtung normal zur Abtastrichtung ist durch P_C bezeichnet. Bei beiden Systemen besteht eine optisch konjugierte Beziehung zwischen dem Objektpunkt, der an der reflektierenden Oberfläche 33 des Polygonspiegels 3 liegt, und dem Bildpunkt an der abzutastenden Oberfläche 11.
Die Beziehungen für die Bilderzeugung lassen sich durch die nachstehend angegebenen Gleichungen (1) bis (3) ausdrücken, wobei S₁ die Position der reflektierenden Oberfläche 33 des Polygonspiegels 3 in Bezug auf die asphärische Linse 42 bezeichnet, S_1D die Position der Ebene 16 (die durch den Schnittpunkt der optischen Achse und des von der asphärischen Linse 42 gebrochenen Strahls geht und normal zur optischen Achse verläuft) in Bezug auf die asphärische Linse 42, S₂ die Position derselben Ebene 16 in Bezug auf die Zylinderlinse 43, S_2D die Position der abzutastenden Oberfläche 11 in Bezug auf die Zylinderlinse 43, T₁ die Position der reflektierenden Fläche 33 des Polygonspiegels 3 in Bezug auf die asphärische Linse 44, T_1D die Position der abzutastenden Oberfläche 11 in Bezug auf die asphärische Linse 44, und U die Position der Zylinderlinse 43 in Bezug auf die asphärische Linse 42. Die Wirkung der sphärischen Linse 41 ist so gering, dass sie außer Betracht bleiben kann. 1/S1D = 1/S1 + P1 (1) 1/S2D = 1/S2 + PC (2) 1/T1D = 1/T1 + P2 (3)
Die Werte der jeweiligen Größen in den Gleichungen (1) bis (3) erfüllen die nachstehenden Beziehungen (4) bis (8): P2 > P1, PC > 0 (4) S1 = T1 < 0 (5) T1D = S2D + U > 0 (6) S2D, T1D, U > 0 (7) S1D = S2 + U (8)
Aus Gleichung (2) und der Beziehung (4) erhält man die nachstehende Beziehung (9), die sich als nachstehende Beziehung (10) umschreiben lässt: 1/S2D > 1/S2 (9) S2 > S2D (10)
Aus den Beziehungen (6), (8) und (10) erhält man nachstehende Gleichung (11): T1D – S1D = S2D – S2 < 0 (11)
Nunmehr wird überlegt, wie die Positionen von Ebenen, die optisch konjugiert zur abzutastenden Oberfläche 11 sind (auf welcher der Bildpunkt liegt), sich ändern, wenn die Brechkräfte P₁ und P₂ der asphärischen Linsen 42 und 44 sich beide um den Prozentfaktor α infolge von Fehlern des Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung ändern. Weist der Krümmungsradius einen negativen Fehler auf, so nimmt die prozentuale Änderung der Brechkraft (α) einen positiven Wert an.
8 erläutert, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das System gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird, wenn ein Fehler des Krümmungsradius vorhanden ist. 9 zeigt, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das konventionelle System bei Vorhandensein eines Fehlers des Krümmungsradius erzeugt wird.
In den 8 und 9 bezeichnen die Bezugsziffern 14 und 17 Ebenen, die bei den beiden Systemen optisch konjugiert zur abzutastenden Oberfläche 11 sind. Nun wird die Position der konjugierten Ebene 14 in Bezug auf die asphärische Linse 42 nach einer Änderung von P₁ als S_1B bezeichnet, und die Position der konjugierten Ebene 17 in Bezug auf die asphärische Linse 44 nach einer Änderung von P₂ als T_1B. Dann gelten die Gleichungen (12) und (14). Durch Ersetzen der Gleichungen (1) und (3) lassen sich die Gleichungen (12) und (14) in die Gleichung (13) bzw. (15) umschreiben: 1/S1B = 1/S1D – (1 + α)P1 (12) = 1/S1 – αP1 (13) 1/T1B = 1/T1D – (1 + α)P2 (14) = 1/T1 – αP2 (15)
Aus den Gleichungen (5), (13) und (15) erhält man Gleichung (16), die sich umschreiben lässt zur Beziehung (17): 1/T1B – 1/S1B = α(P1 – P2) < 0 (16) T1B > S1B (17)
Aus Beziehung (4) und der Gleichung (13) erhält man die Beziehung (18), welche sich zur Beziehung (19) umschreiben lässt: 1/S1B< 1/S1 (18) S1B > S1 (19)
Aus der Beziehung (4) und der Gleichung (15) erhält man die Beziehung (20), die sich zur Beziehung (21) umschreiben lässt: 1/T1B < 1/T1 (20) T1B > T1 (21)
Wie aus den Beziehungen (19) und (21) hervorgeht, nähern sich die Positionen der Ebenen 14 und 17, die jeweils bezüglich der abzutastenden Oberfläche 11 (wo der Bildpunkt liegt) optisch konjugiert sind, an die asphärische Linse 42 bzw. 44 an, wenn die Brechkraft dieser Linsen in einer Richtung normal zur Abtastrichtung ansteigt.
Weiterhin geht aus der Beziehung (17) hervor, dass die Positionsänderung bei dem System gemäß der vorliegenden Auführungsform geringer ist als bei dem konventionellen System.
Als nächstes erfolgt ein Vergleich der Längs-Vergrößerung. Definitionsgemäß ergibt sich die Längs-Vergrößerung durch nachstehende Formel (22): M = (L2/L1)2 (22)wobei L₁ die Entfernung zwischen dem Objektpunkt und dem Hauptpunkt ist, und L₂ die Entfernung zwischen dem Hauptpunkt und dem Bildpunkt.
Wird die Längs-Vergrößerung bei dem konventionellen System durch M_T bezeichnet, so gelten die nachstehenden Gleichungen (23) bis (25), da der zusammengesetzte Hauptpunkt des Linsensystems nahe an der asphärischen Oberfläche liegt: L2 = T1D (23) L1 = –T1 (24) MT = (T1D/–T1)2 (25)
Wird die Längs-Vergrößerung des Systems gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch M_S bezeichnet, so gelten die nachstehenden Beziehungen (26) bis (28), da der zusammengesetzte Hauptpunkt 15 des Linsensystems zwischen der asphärischen Linse 42 und der Zylinderlinse 43 liegt, wie aus 6 hervorgeht: L2 < T1D (26) L1 > –T1 (27) MS < (T1D/–T1)2 (28)
Aus den Beziehungen (25) und (28) erhält man die nachstehende Beziehung (29): MT > MS (29)
Schließlich wird ein Vergleich zwischen jeder Feldkrümmung vorgenommen, welche durch die relative Verschiebung der voranstehend festgelegten, optisch konjugierten Ebenen 14 und 17 gegenüber der reflektierenden Oberfläche 33 des Polygonspiegels 3 hervorgerufen wird, und zwar bei der konventionellen Art des optischen Systems bzw. bei der vorliegenden Ausführungsform des optischen Systems.
Bezeichnet man die Feldkrümmung mit F und den Betrag der Änderung der Position der konjugierten Ebene 14 oder 17 durch α, dann gilt die durch Gleichung (30) ausgedrückte Beziehung, wobei F < 0 den Fall betrifft, in welchem der Bildpunkt in Richtung auf die Zylinderlinse 43 versetzt ist. F = –Δ·M (30)
10 erläutert, wie die Bildoberfläche bei dem System gemäß der vorliegenden Ausführungsform gekrümmt ist. Ist der Betrag der Änderung der Position der konjugierten Ebene 14 durch ΔS bezeichnet, und die Krümmung der Bildoberfläche mit F_S, so gelten die nachstehenden Gleichungen (31) und (32) ΔS = S1B – S1 (31) FS = –ΔS·MS (32)
11 erläutert, wie bei dem konventionellen System die Bildfläche gekrümmt ist. Wird der Betrag der Änderung der Position der konjugierten Ebene 17 durch ΔT bezeichnet und die Krümmung der Bildfläche durch F_T, so gelten die nachstehenden Gleichungen (33) und (34): ΔT = T1B – T1 (33) FT = –ΔT·MT (34)
Aus den Beziehungen (5), (17), (31) und (33) erhält man die Beziehung (35) ΔT > ΔS (35)
Aus den Beziehungen (29), (32), (34) und (35) erhält man die Beziehung (36): FT < FS (36)
Sowohl F_T als auch F_S weisen einen negativen Wert auf, und daher ist verglichen mit dem Abtastlinsensystem 4, welches die asphärische Linse 44 usw. aufweist, jedoch nicht die Zylinderlinse 43 verwendet, das Abtastlinsensystem 4, welches aus der asphärischen Linse 44, der zylindrischen Linse 43, usw. besteht, in der Hinsicht vorteilhaft, dass der Absolutwert der Feldkrümmung infolge eines Fehlers des Krümmungsradius der asphärischen Linse 44 in einer Richtung normal zur Abtastrichtung kleiner ist als der Absolutwert der Feldkrümmung infolge eines Fehlers des Krümmungsradius der asphärischen Linse 44.
Wie in den voranstehenden Beschreibungsteilen beschrieben wurde, besteht das Abtastlinsensystem gemäß der vorliegenden Erfindung aus mehreren Linsen, von denen diejenige, die am nächsten an der abzutastenden Oberfläche liegt, eine Zylinderlinse mit positiver Brechkraft ist, wobei eine andere Linsenoberfläche so ausgebildet ist, dass ihr Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung monoton vom zentralen Abschnitt zu jedem Endabschnitt hin zunimmt. Dies führt dazu, dass die Krümmung des Bildfeldes, die infolge des Abtastlinsensystems auftritt, ausreichend verringert ist, so dass ein kleiner Punkt eines stabilen Laserstrahls über dem gesamten Abtastbereich erzeugt werden kann. Daher weist die vorliegende Erfindung den Vorteil auf, dass ein Laserscanner zur Verwendung in einem Laserdruckersystem für hochauflösenden Druck zur Verfügung gestellt werden kann und ebenso ein Abtastlinsensystem, welches bei einem derartigen Laserscanner eingesetzt wird.
Die voranstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient zu deren Erläuterung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Erfindung nicht auf die exakt beschriebene Ausführungsform beschränken. Diese Ausführungsform beschreibt somit vor allem die Grundlagen der Erfindung und ihre praktische Einsetzbarkeit, damit ein Fachmann auf diesem Gebiet die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit unterschiedlichen Abänderungen einsetzen kann, die an den jeweiligen besonderen Einsatzzweck angepasst sind.

Claims

Laserabtastvorrichtung, umfassend – eine zur Anordnung in einem Laserstrahl (20) einer Laserstrahlquelle vorgesehene optische Einrichtung (1) zur Erzeugung eines zeilenförmigen Bildes; – eine Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (3) mit einer reflektierenden Fläche (33), welche in dem von der Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahl (20) hinter der ein zeilenförmiges Bild erzeugenden optischen Einrichtung (1) angeordnet ist; und – ein optisches Abtastsystem (4), welches einen von der reflektierenden Fläche (33) der Licht-Ablenkeinrichtung (3) reflektierten Laserstrahl auf eine durch den Laserstrahl abzutastende Fläche (11) in Abtastrichtung (X) derart fokussiert, dass das zeilenförmige Bild auf diese Fläche abgebildet wird, wobei das optische Abtastsystem (4) eine asphärische Linse (42) mit mindestens einer asphärischen Linsenfläche umfasst, deren Krümmungsradius von einem zentralen Bereich zum jeweiligen Randbereich hin in einer Richtung (Y) senkrecht zur Abtastrichtung (X) zunimmt; wobei – das optische Abtastsystem (4) eine Zylinderlinse (43) positiver Brechkraft umfasst, die zwischen der asphärischen Linse (42) und der abzutastenden Fläche (11) angeordnet ist, und – die mindestens eine asphärische Linsenfläche der asphärischen Linse (42) mit vom zentralen Bereich zum jeweiligen Randbereich in der Richtung (Y) senkrecht zur Abtastrichtung (X) zunehmendem Krümmungsradius sowie die Zylinderlinse (43) folgende Bedingungen erfüllen: 1/S2D = 1/S2 + Pc, S2D – S2 < 0,worin bedeuten: S_2D: Position der abzutastenden Fläche (11) in Bezug auf die Zylinderlinse (43), S₂ _: Position einer durch den Schnittpunkt des von der asphärischen Linse (42) gebrochenen Lichtstrahls mit der optischen Achse und senkrecht zu dieser verlaufenden Ebene (16) in Bezug auf die Zylinderlinse (43), und Pc = Brechkraft der Zylinderlinse (43) in der Richtung (Y) senkrecht zur Abtastrichtung (X), so dass der durch die asphärische Linse (42) bewirkten Bildfeldkrümmung entgegengewirkt wird.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher – die optische Einrichtung (1) das zeilenförmige Bild auf der reflektierenden Fläche (33) der Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (3) erzeugt; und – die Krümmung der mindestens einen asphärischen Linsenfläche der asphärischen Linse (42) unter Berücksichtigung der Brechkraft der Zylinderlinse (43) so bestimmt ist, dass die reflektierende Fläche (33) der Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (3) und die abzutastende Fläche (11) in der Richtung (Y) senkrecht zur Abtastrichtung (X) zueinander optisch konjugiert sind.
Laserabtastvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die mindestens eine asphärische Linsenfläche der asphärischen Linse (42) in der Abtastrichtung (X) und in der zur Abtastrichtung senkrechten Richtung (Y) unterschiedlich gekrümmt ist.
Laserabtastvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das optische Abtastsystem (4) eine sphärische Linse (41) umfasst, die im Laserstrahl zwischen der reflektierenden Fläche (33) der Ablenkeinrichtung (3) und der asphärischen Linse (42) angeordnet ist.
Optisches Abtastsystem zur Fokussierung eines von einer reflektierenden Fläche (33) einer Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (3) reflektierten Laserstrahls auf einer vom Laserstrahl abzutastenden Fläche (11) in Abtastrichtung (X), so dass auf dieser Fläche (11) ein zeilenförmiges Bild erzeugt wird, wobei das optische Abtastsystem umfasst: – eine asphärische Linse (42) mit mindestens einer asphärischen Linsenfläche umfasst, deren Krümmungsradius von einem zentralen Bereich zum Rand hin in einer Richtung (Y) senkrecht zur Abtastrichtung (X) zunimmt, und – eine Zylinderlinse (43) positiver Brechkraft, die zwischen der asphärischen Linse (42) und der abzutastenden Fläche (11) angeordnet ist, wobei die mindestens eine an der asphärischen Linse (42) asphärische Linsenfläche, deren Krümmungsradius von einem zentralen Bereich zum Rand hin in einer Richtung (Y) senkrecht zur Abtastrichtung (X) zunimmt, und die Zylinderlinse (43) folgende Bedingungen erfüllen: 1/S2D = 1/S2 + Pc, S2D – S2 < 0,worin bedeuten: S_2D: Position der abzutastenden Fläche (11) in Bezug auf die Zylinderlinse (43), S_2: Position einer durch den Schnittpunkt des von der asphärischen Linse (42) gebrochenen Lichtstrahls mit der optischen Achse und senkrecht zu dieser verlaufenden Ebene (16) in Bezug auf die Zylinderlinse (43), und P_c = Brechkraft der Zylinderlinse (43) in der Richtung (Y) senkrecht zur Abtastrichtung (X), so dass der durch die asphärische Linse (42) bewirkten Bildfeldkrümmung entgegengewirkt wird.
Optisches Abtastsystem nach Anspruch 5, bei welchem die Krümmung der mindestens einen asphärischen Linsenfläche der asphärischen Linse (42) unter Berücksichtigung der Brechkraft der Zylinderlinse (43) so bestimmt ist, dass die reflektierende Fläche (33) der Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (3) und die abzutastende Fläche (11) in der Richtung (Y) senkrecht zur Abtastrichtung (X) zueinander optisch konjugiert sind.
Optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 5 und 6, bei welchem die mindestens eine asphärische Linsenfläche der asphärischen Linse (42) in der Abtastrichtung (X) und in der zur Abtastrichtung senkrechten Richtung (Y) unterschiedlich gekrümmt ist.
Optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei welchem das optische Abtastsystem (4) eine sphärische Linse (41) umfasst, die im Laserstrahl zwischen der reflektierenden Fläche (33) der Ablenkeinrichtung (3) und der asphärischen Linse (42) angeordnet ist.