DE4425917A1 - Laserscanner - Google Patents

Laserscanner

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DE4425917A1
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Susumu Saito
Akira Arimoto
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Description

Die Erfindung betrifft einen Laserscanner zur Benutzung in Laserdruckern und ähnlichen Vorrichtungen.
Bei herkömmlichen Laserscannern zur Benutzung in Laserdruckern sind eine fR-Linse als eine Scanlinse und ein rotierender Polygonspiegel als ein optischer Deflektor kombiniert, um einen Laserstrahl abzulenken zum Scannen über die Oberfläche einer Fotorezeptortrommel.
Die prinzipielle Aufgabe solcher Laserscanner ist es, einen Laserstrahl auf der Oberfläche einer Fotorezeptortrommel zu fokussieren, um einen Strahlfleck einer vorbestimmten Größe in Übereinstimmung mit einer erforderlichen Auflösung zu bilden, wenn dieser über die Oberfläche der Trommel bei einer regulären Geschwindigkeit gescannt wird.
Ein Beispiel nach dem Stand der Technik der fR-Linsenanordnung zum Erzielen einer hohen Auflösung ist beschrieben in der ungeprüften veröffentlichten japanischen Patentanmeldung (kokai) Sho 63-253916. Diese Linsenanordnung besteht aus zwei Linsenelementen, wobei eines sphärisch und das andere asphärisch ist. Die asphärische Linse ist versehen mit einer asphärischen Oberfläche mit Rotationssymmetrie, welche die Krümmung in einer Richtung normal zur Scanrichtung asymmetrisch variiert bezüglich der zentralen optischen Achse der Linse hat. Dieses Design ist wirksam im Reduzieren der Krümmung des Feldes, welche auftritt in einer Richtung normal zur Scanrichtung aufgrund der Tatsache, daß der Punkt, auf den ein Laserstrahl reflektiert wird, durch den rotierenden Polygonspiegel, asymmetrisch auf der linken und rechten Seite bezüglich des Zentrums des Scannens, variiert.
Ein weiteres Beispiel nach dem Stand der Technik der fR-Linsenanordnung zum Erzielen einer hohen Auflösung ist beschrieben in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung (kokai) Hei 4-60608. Diese Linsenanordnung besteht aus zwei einfachen Linsenelementen, von denen eines versehen ist mit einer asphärischen Oberfläche von Rotationssymmetrie, welche ihre Querschnittsgeometrie in der Hauptscanrichtung asymmetrisch variiert hat bezüglich der zentralen optischen Achse der Linse. Dieses Design ist ebenfalls effektiv im Reduzieren der Krümmung des Feldes, die auftritt in einer Richtung normal zur Scanrichtung aufgrund der Tatsache, daß der Punkt, auf den ein Laserstrahl reflektiert, durch den rotierenden Polygonspiegel, asymmetrisch auf der rechten und linken Seite bezüglich des Zentrums des Scannens, variiert.
Diese zwei Beispiele nach dem Stand der Technik machen es klar, daß, je höher die Auflösung ist, welche durch die fR-Linse erzielt werden muß, desto signifikanter der Effekt ist, der ausgeübt wird auf die Krümmung des Feldes in einer Richtung normal zur Scanrichtung durch die asymmetrische Variation des Punktes, auf den ein Laserstrahl reflektiert wird durch den rotierenden Polygonspiegel; deshalb ist es effektiv, eine Linsenoberfläche zu benutzen, welche asymmetrisch bezüglich der zentralen optischen Achse der Linse ist.
Wie oben beschrieben im Zusammenhang mit dem Stand der Technik, kann die Krümmung des Feldes, die auftritt in einer Richtung normal zur Scanrichtung, reduziert werden durch Benutzung einer Linsenoberfläche, die asymmetrisch ist bezüglich der zentralen optischen Achse der Linse.
Jedoch präsentiert diese Lösung einer Benutzung eines Linsenelements einer asymmetrischen Gestalt sein eigenes Probleme, wenn eine Kombination gegeben ist mit einem weiteren Linsenelement, da jeglicher Fehler in den Relativpositionen der zwei Linsenelemente signifikante und keinesfalls vernachläßigbare Effekte auf die Krümmung des Feldes produzieren kann, welche auftreten würde, in einer Richtung normal zur Scanrichtung.
Die vorliegende Erfindung wurde unter diesen Umständen geschaffen und hat als eine Aufgabe das Vorsehen eines Laserscanners, der in der Lage ist, eine hohe Auflösung zu erzielen, ohne unter den Nachteilen zu leiden, welche den Systemen nach dem Stand der Technik inhärent sind.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe gelöst nach Anspruch 1 durch einen Laserscanner, bei dem die Scanlinsenanordnung (fR-Linse) besteht aus einem Linsenelement, und bei dem zumindest eine Oberfläche dieses Linsenelements von solch einer Geometrie ist, daß die Krümmung in einer Richtung normal zur Scanrichtung schrittweise variiert in der Scanrichtung in Übereinstimmung mit der spezifischen Rotationsposition des Polygonspiegels, der als ein optischer Deflektor benutzt wird, um dadurch die Krümmung des Feldes zu korrigieren, die auftritt in einer Richtung normal zur Scanrichtung als ein Resultat der Änderung in der Position einer spezifischen Reflexionsoberfläche des Polygonspiegels.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Linsenoberfläche der Scanlinsenanordnung angepaßt, die folgende Geometrie in der Scanrichtung zu haben.
Spezifisch ausgedrückt, wird die Geometrie durch Gleichung (1) ausgedrückt:
wobei R der Krümmungsradius auf der optischen Achse und K die konische Konstante ist.
Zusätzlich genügt die Geometrie der folgenden Beziehung (2):
-0.54 (U′/U)|K|-1/8·SIG(K) -0.48 (2)
wobei U und U′ die Winkel sind, die ein Lichtstrahl, gebend eine maximale Scanbreite, bildet mit der optischen Achse an der Eingangs- und Ausgangsseite der Scanlinsenanordnung; und SIG(K) das Zeichen von K darstellt.
Beziehung (2) ist die Bedingung zum Fokussieren eines Laserstrahls auf der Oberfläche einer Fotorezeptortrommel zum Bilden eines Strahlflecks von einer vorbestimmten Größe in Übereinstimmung mit der erforderlichen Auflösung beim Scannen über die Trommeloberfläche unter einer regulären Geschwindigkeit.
Die obige und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden klarer erscheinen aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 ein Diagramm zum Zeigen eines Beispiels des Laserscanners nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm zum Zeigen eines Laserscanners nach dem Stand der Technik;
Fig. 3 ein Diagramm zum Zeigen des Layouts von Linsenkomponenten in der Scanebene bei dem in Fig. 2 gezeigten Scanner nach dem Stand der Technik;
Fig. 4 eine Darstellung zum Darstellen der Profile einer Feldkrümmung, die auftritt beim Laserscanner nach der vorliegenden Erfindung und bei der Version nach dem Stand der Technik; und
Fig. 5 eine Darstellung zum Darstellen des Fehlers in der Bildhöhe gegen einen Scanwinkel für den Laserscanner nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt, wie die Krümmung eines Feldes sich entwickelt in einer Richtung normal zur Scanrichtung bei einem Laserscanner nach dem Stand der Technik, welcher eine fR-Linsenanordnung benutzt, die aus einem asymmetrisch gestalteten Linsenelement und einem weiteren Linsenelement besteht, und zwar in dem Fall, wo das weitere Linsenelement einen Layoutfehler hat.
In Fig. 2 ist durch Bezugszeichen 3 ein rotierender Polygonspiegel gezeigt, 6 ist die Oberfläche einer Fotorezeptortrommel, und 43 ist das asymmetrisch gestaltete Linsenelement. Gezeigt durch Bezugszeichen 41 oder 42 ist das weitere Linsenelement, welches mit dem asymmetrisch gestalteten Linsenelement 43 zu kombinieren ist. Diese weitere Linse ist angenommenerweise sphärisch in dem betrachteten Fall; die durchgezogene Linie 41 bezieht sich auf den Fall, in dem das sphärische Linsenelement keinen Layoutfehler hat, wohingegen die gestrichelte Linie 42 sich auf den Fall bezieht, in dem es einen Layoutfehler hat. Gezeigt durch 92 ist ein Strahl, der hervorgeht aus dem Linsenelement 42 in dem Fall, in dem das sphärische Linsenelement einen Layoutfehler hat. Gezeigt durch 62 ist die Bildebene, die durch den Strahl 92 gebildet wird. Drei Achsen Z, X und Y sind entlang der optischen Achse genommen in der Hauptscanrichtung und in einer Richtung normal zur Scanrichtung. Klarerweise unterscheidet sich die Bildposition bei dem Scanwinkel, um zu verhindern, daß das korrekte Bild gebildet wird auf der Oberfläche einer Fotorezeptortrommel, falls das sphärische Linsenelement einen Layoutfehler hat.
Fig. 3 zeigt die Layouts jeweiliger Linsenelemente in der Scanebene (X-Z-Ebene), wie sie dargestellt werden durch einzelne Hauptoberflächen, wobei ihre Dicken vernachläßigt sind der Einfachheit einer Erklärung halber.
In Fig. 3 bezieht sich Bezugszeichen 81 auf die optische Achse durch das Linsenelement 43 und das sphärische Linsenelement, wie es die Position, die angezeigt ist durch eine durchgezogene Linie 41, annimmt; 82 ist die optische Achse des sphärischen Linsenelements, wie es die Position annimmt, die gezeigt ist durch die gestrichelte Linie 42; und 91 ist ein Strahl, der hervorgeht aus der Linse 41 in dem Fall, in dem das sphärische Linsenelement keinen Layoutfehler hat. Bei der Bezeichnung von Winkeln wird ein Minuszeichen "-" benutzt, wenn sie in einer Gegenuhrzeigersinn-Richtung genommen sind.
Die Diskussion sei begonnen unter Annahme, daß das sphärische Linsenelement, welches anfänglich die Position, angezeigt durch die durchgezogene Linie 41, annimmt, einen Layoutfehler durch Winkel β (< 0) in der Scanebene um den Punkt eines Schnitts 0 zwischen dem sphärischen Linsenelement und der optischen Achse 81 erfährt, woraufhin das sphärische Linsenelement die neue Position, angezeigt durch die gestrichelte Linie 42, annimmt. Es sei ebenfalls die folgende Annahme gemacht: R1 = der Winkel, der Strahl 91 mit der optischen Achse 81 nach Brechung mit dem sphärischen Linsenelement an der Position 41 bildet; R2 = der Winkel, den der Strahl 92 mit der optischen Achse 81 nach Brechung mit dem sphärischen Linsenelement an der Position 42 bildet (R ist der Scanwinkel und angenommenerweise kleiner als Null); H1 (< 0) = die Höhe eines Schnittpunktes des einfallenden Strahles 91 an dem sphärischen Linsenelement mit der Position 41; H2 (< 0) = die Höhe eines Schnittpunktes des einfallenden Strahles 92 an dem sphärischen Linsenelement an der Position 42; P = der Schnittpunkt zwischen der optischen Achse 81 und einer Erstreckung der Strahls 91 nach Brechung mit dem sphärischen Linsenelement an der Position 41; und Q = der Punkt eines Schnittpunkts zwischen der optischen Achse 82 und einer Erstreckung des Strahls 92 nach Brechung mit dem sphärischen Linsenelement an der Position 42. Das sphärische Linsenelement an der Position 41 oder 42 hat eine negative Leistung P1, und das Linsenelement 43 hat eine positive Leistung P2, welche folgendermaßen ausgedrückt werden können:
P1 < 0, P2 < 0 (3)
Eine Formel in geometrischer Optik sagt aus:
R1 = R + H1×P1 (4)
In ähnlicher Weise gilt:
(R2-β) = (R-β) + H2×P1 (5)
R2 = R + H2×P1 (6)
Gleichungen 4 und 6 ergeben:
R2-R1 = P1×(H2-H1) (7)
Falls |R| » |β| (8)
dann, wie klar erscheint aus Fig. 3, gilt die folgende Beziehung:
H1 < H2 (9)
Gleichung 3, 7 und 9 ergeben:
R2-R1 < 0 (10)
Gleichungen 3, 4 und 6 ergeben:
R1, R2 < 0 (11)
Falls die Höhe eines Schnittpunkts des Strahls 91 an Linse 43 geschrieben wird als H1D und die Höhe eines Schnittpunkts des Strahls 92 an Linse 43 als H2D geschrieben wird, dann ergeben Gleichungen 8 und 10:
H1D < H2D (12)
P1Y und P2Y sei geschrieben für die Leistungen der Linse 43 in einer Richtung normal zur Scanrichtung bezüglich Strahlen 91 und 92. Es sei angenommen, daß beide Leistungen einen positiven Wert annehmen. Falls die Leistung der Linse 43 angenommenerweise mit der Höhe eines Strahlschnittpunkts variiert, und zwar auf solch eine Art und Weise, daß vorhergehender abnimmt mit dem Anstieg in dem Absolutwert des letzteren, dann gilt die folgende Beziehung:
P2Y < P1Y (13)
Da P1Y so eingestellt ist, daß der Strahl 91 fokussiert wird, um ein Bild zu bilden auf der Fotorezeptor-Trommeloberfläche 6, wird Strahl 92 abgelenkt in einem mehr als notwendigen Betrag durch die übermäßige Leistung P2Y (Gleichung 13) und fokussiert, ein Bild zu bilden, nicht nur auf der Fotorezeptor-Trommeloberfläche 6 sondern ebenfalls an einem Punkt näher dem rotierenden Polygonspiegel (siehe Fig. 2).
In ähnlicher Weise gilt Gleichung 12, wenn R < 0. Da jedoch
H1D, H2D < 0 (14)
ist die Beziehung zwischen P2Y und P1Y umgekehrt zu:
P2Y < P1Y (15)
Daher ist Strahl 92 abgelenkt in einem weniger als notwendigen Betrag durch die unrichtig kleine Leistung P2Y und fokussiert, ein Bild zu bilden, nicht nur auf der Fotorezeptor-Trommeloberfläche 6, sondern ebenfalls an einem Punkt weiter weg von dem rotierenden Polygonspiegel.
Wie oben beschrieben, leidet die Benutzung eines asymmetrisch geschalteten Linsenelements in Kombination mit einem weiteren Linsenelement unter dem Nachteil, daß jeglicher Fehler in dem Layout der zwei Linsenelemente signifikante und keineswegs vernachlässigbare Effekte auf die Krümmung eines Feldes verursachen kann, welches sich in einer Richtung normal zur Scanrichtung entwickeln würde. Zum Vermeiden dieses Problems wird die Kombination der zwei Linsenelemente ersetzt durch die Benutzung eines einzelnen Linsenelements bei der vorliegenden Erfindung.
Beziehung 2 stellt die Bedingung auf, die zu erfüllen ist zum Fokussieren eines Laserstrahls auf der Oberfläche einer Fotorezeptortrommel zum Bilden eines Strahls einer vorbestimmten Größe in Übereinstimmung mit der erforderlichen Auflösung beim Scannen über die Trommeloberfläche bei gleichförmiger Geschwindigkeit.
Bei einem einzelnen Linsenelement, dessen beide Oberflächen sphärisch in der Scanrichtung sind, wird ein einfallender Strahl abgelenkt in marginalem Ausmaß um einen größer als notwendigen Betrag als auf der optischen Achse, und daher ist die Bildebene in der Scanrichtung gekrümmt zum rotierenden Polygonspiegel (in der "-"-Richtung), und der Fehler in der Bildhöhe steigt (in der "+"-Richtung) bei der mittleren Bildhöhe. Dies verursacht die Notwendigkeit zu verhindern, daß die Strahlen abgelenkt werden um mehr als notwendige Beträge in dem marginalen Linsenabschnitt durch Verwenden einer hyperbolischen Querschnittsgeometrie, wobei die konische Konstante K kleiner als Null ist, kein Kreis mit K = 0. Diese Lösung ist besonders effektiv in einem Fall, in dem Bedingung 2 erfüllt ist. Falls die untere Grenze dieser Bedingung nicht erreicht ist, steigt die Krümmung eines Feldes in der Scanrichtung (+) und der Fehler in einer Bildhöhe nimmt ab (-) bei der mittleren Höhe. Falls andererseits die obere Grenze von Bedingung 2 überschritten ist, fällt die Krümmung eines Feldes in der Scanrichtung (-), und der Fehler in einer Bildhöhe steigt (+) bei der mittleren Höhe.
Das folgende Beispiel ist vorgesehen zum Zweck der weiteren Illustration der vorliegenden Erfindung, soll aber keineswegs beschränkend sein.
Beispiel
Fig. 1 zeigt das grundlegende Layout eines Beispiels des optischen Scanners nach der vorliegenden Erfindung. Gezeigt durch 1 in Fig. 1 ist eine zylindrische Linse, 3 ist ein rotierender Polygonspiegel, 4 ist eine fR-Linse, 6 ist die Oberfläche einer Fotorezeptortrommel, 12 ist eine Kollimatorlinse, 22 ist eines Laserlichtquelle, 33 ist eine Reflexionsoberfläche des Polygonspiegels 3, und 91 ist ein Laserstrahl.
Der Strahl 91, herrührend aus der Laserlichtquelle 22, tritt durch Kollimatorlinse 12, um im wesentlichen kollimiert zu werden. Die Zylinderlinse 1 ist in solch einer Art und Weise angeordnet, daß sie nur in einer Y-Richtung, welche normal zur Scanrichtung ist, agiert, wodurch der Strahl konvergieren wird in der Y-Richtung an einem Punkt nahe der Reflexionsoberfläche 33 des Polygonspiegels 3. Nach geometrischer Optik erfüllen die Nachbarschaft der Reflexionsfläche 33 und die Fotorezeptor-Trommeloberfläche 6 eine konjugierte Beziehung in Richtung normal zur Scanrichtung. Die Strahl-Scan-fR-Linse 4 ist ein einzelnes Element, wobei die Oberfläche näher zum Polygonspiegel 3 sphärisch ist, wohingegen die Oberfläche abgelegen vom Polygonspiegel von solch einer Gestalt ist, daß sie asymmetrisch ist auf der rechten und linken Seite bezüglich der optischen Achse, wobei die Krümmung in der Richtung normal zur Scanrichtung schrittweise variiert in der Scanrichtung in Übereinstimmung mit der spezifischen Rotationsposition des Polygonspiegels. Exemplarische Daten der Spezifikationen der zylindrischen Linse 1 und der fR-Linse 4 sind in nachstehender Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Die jeweiligen Oberflächenzahlen bezeichnen folgendes: (1) und (2) sind die Oberflächen einer zylindrischen Linse 1; (3) ist die Reflexionsfläche 33 eines Polygonspiegels 3; (4) und (5) sind die Oberflächen der fR-Linse 4; und (6) ist die Fotorezeptor-Trommeloberfläche 6. Andere Symbole in Tabelle 1 bezeichnen das Folgende:
R der Aufachsenradius einer Krümmung in der Scanrichtung; r der Aufachsenradius einer Krümmung in der Richtung normal zur Scanrichtung; d die Distanz zwischen nebeneinanderliegenden Linsenoberflächen; n einen Brechungsindex. Die Gestalt der Oberfläche (5) wird ausgedrückt durch die folgenden Gleichungen 16 und 17, wobei der Ursprung genommen ist am Scheitel der Oberfläche:
wobei a, b, c, d und K Konstanten sind, wobei K insbesondere eine "konische Konstante" und e ein Asymmetrieterm ist, der eine Sammlung der Abtastpunkte aufgelistet in nachstehender Tabelle 2 ist. Jegliche Positionen, die nicht aufgelistet sind, sind durch eine polynomiale Näherung gegeben.
Tabelle 2
(X und Y sind in mm und e in µm gegeben)
Fig. 4 ist eine Darstellung zum Darstellen der Profile einer Feldkrümmung, die auftritt in dem Laserscanner nach der vorliegenden Erfindung und bei der Version nach dem Stand der Technik durch Kurven 71 bzw. 72 für den Fall, in dem das sphärische Linsenelement einen Layoutfehler (β) von 0,8° in der Scanebene beinhaltet.
Fig. 5 ist eine Darstellung zum Darstellen des Fehlers in der Bildhöhe gegen einen Scanwinkel für den Laserscanner nach der vorliegenden Erfindung.
Wie auf den vorhergehenden Seiten beschrieben, ist der Laserscanner nach der vorliegenden Erfindung so konstruiert, daß zumindest eine Linsenoberfläche einer fR-Linsenanordnung, welche aus einem einzelnen Linsenelement besteht, von solch einer Geometrie ist, daß die Krümmung in einer Richtung normal zur Scanrichtung schrittweise variiert in der Scanrichtung in Übereinstimmung mit der spezifischen Rotationsposition des Polygonspiegels. Deshalb ist der Laserscanner einfacher in der Konstruktion und erreicht trotzdem eine hohe Auflösung und erleidet nur eine kleinere Krümmung der Bildebene in einer Richtung normal zur Scanrichtung.
Die vorhergehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde präsentiert zum Zwecke einer Illustration und Beschreibung. Sie ist nicht beabsichtigt, abschließend zu sein oder die Erfindung auf die präzise offenbarte Form zu beschränken, und Modifikationen und Variationen sind möglich im Licht der obigen Lehre oder können erhalten werden aus der Praxis der Erfindung. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben zum Erklären der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung, um den Durchschnittsfachmann zu befähigen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen, wie sie geeignet sind für den speziell betrachteten Gebrauch zu benutzen. Es ist beabsichtigt, daß der Schutzumfang der Erfindung durch die hieran angehängten Patentansprüche und ihre Äquivalente definiert ist.

Claims (4)

1. Laserscanner, bestehend aus:
  • - einer Laserlichtquelle (22) zum Erzeugen eines Laserstrahls (91);
  • - einem optischen Deflektor (3) zum Ablenken des Laserstrahls (91) von der Laserquelle (22);
  • - einer Scanlinse (4) zum Zulassen, daß reflektiertes Licht von dem optischen Deflektor (3) über eine interessierende Oberfläche (6) gescannt wird, wobei der optische Deflektor (3) und die interessierende Oberfläche (6) auf solch eine Art und Weise angeordnet sind, daß sie eine im allgemeinen konjugierte Bildbeziehung erfüllen durch die Scanlinse (4) in einer Richtung normal zu einer Scanrichtung;
  • - wobei die Scanlinse (4) ein einzelnes Linsenelement umfaßt und zumindest eine Oberfläche der Scanlinse (4) von solch einer Geometrie ist, daß eine Krümmung in einer Richtung normal zur Scanrichtung schrittweise variiert in der Scanrichtung in Übereinstimmung mit einer spezifischen Ablenkungsposition des optischen Deflektors (3).
2. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie von zumindest einer Linsenoberfläche der Scanlinse (4) in der Scanrichtung ausgedrückt ist durch Gleichung (1) und der Beziehung (2) genügt: -0.54 (U′/U)|K|-1/8·SIG(K) -0.48 (2)wobei
  • - R: der Krümmungsradius auf einer optischen Achse;
  • - K: die konische Konstante;
  • - U: der Winkel, den ein Lichtstrahl gebend eine maximale Scanbreite bildet mit der optischen Achse auf einer Eintrittsseite der Scanlinse; und
  • - U′: der Winkel, den ein Lichtstrahl, gebend eine maximale Scanbreite, bildet mit der optischen Achse auf einer Ausgangsseite der Scanlinse.
3. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scanlinse aus einer konvexen Gestalt auf beiden Oberflächen gebildet ist.
4. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Linsenoberfläche der Scanlinse (4) solch eine Geometrie in der Scanrichtung hat, daß sie asymmetrisch ist auf der rechten und linken Seite bezüglich der optischen Achse.
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