DE69015925T2

DE69015925T2 - Optische Einheit für die Verwendung in einem Laserstrahldrucker oder dergleichen.

Info

Publication number: DE69015925T2
Application number: DE69015925T
Authority: DE
Inventors: Takashi Shiraishi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1990-08-21
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2010-08-22
Also published as: US5064260A; EP0415236A2; EP0415236A3; EP0415236B1; DE69015925D1; JPH0387812A; JP2928552B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Einheit zur Verwendung in einem Laserstrahldrucker und insbesondere eine optische Einheit der im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Art, die einen Laserstrahl von einer Laserdiode über eine Gruppe von Fokussierlinsen und einen Abtaster zu einem abzutastenden Objekt leitet oder führt.
Im allgemeinen ist eine in einen Laserstrahldrucker o.dgl. eingebaute optische Einheit so ausgelegt, daß ein von einer Laserdiode ausgegebener Laserstrahl zunächst zu einem Abtaster, d.h. einer optischen Ablenkeinheit, und dann zu einem lichtempfindlichen Körper, d.h. einem abzutastenden Objekt, geleitet wird. Der lichtempfindliche Körper wird mit dem Laserstrahl mit einer konstanten Geschwindigkeit abgetastet. Vor dem Erreichen des lichtempfindlichen Körpers läuft der Laserstrahl durch ein erstes und ein zweites optisches System. Das erste optische System konvergiert den von der Laserdiode erzeugten Laserstrahl, während das zweite optische System den Laserstrahl auf eine wünschenswerte bzw. vorgesehene Stelle auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Körpers fokussiert. Beim Durchgang durch die ersten und zweiten optischen Systeme wird der Laserstrahl auf einen Querschnitt einer vorbestimmten Größe eingestellt.
Das erste optische System ist eine Kombination aus Linsen, wie einer Glaslinse mit asphärischer Fläche, Kunststofflinsen usw. . Das zweite optische System ist eine Kombination aus Linsen, etwa einer fθ-Linse. Mittels dieser fθ-Linse wird der Ablenkwinkel, unter dem der Laserstrahl durch den Abtaster abgelenkt wird, proportional zu der Stelle oder Position, an welcher der Laserstrahl auf den lichtempfindlichen Körper fokussiert wird und die in Beziehung zur Hauptabtastrichtung ausgedrückt ist, geändert.
Die veröffentlichte ungeprüfte JP-Patentanmeldung bzw. JP- OS (PUJPA) 61-59311 offenbart eine fθ-Linse, die in ein solches zweites optisches System, wie oben erwähnt, integriert und an ihren Enden mit Hilfe eines Bimetalls gehaltert ist. Da die fθ- Linse durch Bimetall gehaltert (oder gelagert) ist, kann eine Änderung der Brennweite, die aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur auftreten kann, korrigiert werden.
Bei dem in obiger JP-OS offenbarten System kann die Brennweite der fθ-Linse entsprechend der Umgebungstemperatur korrigiert werden. Es ist jedoch zu bemerken, daß das System nicht unter (zur) Berücksichtigung der möglicherweise durch die Umgebungsfeuchtigkeit verursachten schädlichen Auswirkungen, wie Änderung der Brennweite, Verformung oder Verzug einer Kunststofflinse, Änderung der Brechkraft und Änderung der Wellenlänge eines erzeugten Laserstrahls, konstruiert ist. Von dem System nach obiger JP-OS kann daher eine zufriedenstellende Korrektion nicht erwartet werden. Es ist auch anzumerken, daß die Korrektion unter Verwendung eines Bimetalls nicht sehr zuverlässig ist. Insbesondere ist aufgrund der Dicke des Bimetalls die Größe der Korrektion nicht immer konstant. Da weiterhin die Linse selbst für Korrektion bewegt oder verschoben wird, kann sich ihre optische Achse neigen, was zu einer geometrischen Verzeichnung im gesamten Fokussiersystem führt.
Ein dem Stand der Technik entsprechendes Lichtabtastsystem mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in der US-A-4 850 663 offenbart.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Linsenhaltestruktur zur Verwendung bei einer in einen Laserdrucker o.dgl. eingebauten optischen Einheit, durch welche Änderungen der Brennweiten von Linsen ungeachtet einer Änderung der Umgebungstemperatur verhindert werden.
Ein anderes Merkmal dieser Erfindung betrifft die Schaffung einer Gruppe von Linsen, die zur Verwendung bei einer in einen Laserdrucker o.dgl. eingebauten optischen Einheit vorgesehen sind und bei denen eine Änderung ihrer Brennweiten ungeachtet einer Änderung von Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit verhindert wird oder ist.
Noch ein anderes Merkmal dieser Erfindung betrifft die Schaffung einer optischen Einheit, die aus preisgünstigen Teilen oder Bauelementen aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.
Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung betrifft die Schaffung einer optischen Einheit, die (abmessungsmäßig) kompakt gebaut ist.
Mit dieser Erfindung wird eine optische Einheit bereitgestellt, wie sie im Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1A eine Draufsicht auf eine optische Einheit gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung,
Fig. 1B einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 1,
Fig. 2A eine Draufsicht zur Darstellung der Anordnung von optischen Komponenten der optischen Einheit zusammen mit Laserstrahlengängen,
Fig. 2B eine die Laserstrahlengänge zeigende Schnittansicht, erhalten durch Ableitung der Draufsicht gemäß Fig. 2A längs einer Ebene, die in der Nähe eines in bezug auf eine Hauptabtastrichtung bestimmten Zentrums liegt,
Fig. 3A eine Seitenansicht eines Linsentubus, der in die optische Einheit nach den Fig. 1A und 1B zu integrieren ist und durch den ein optisches Fokussiersystem, eine Lichtquelle usw. gehalten oder festgelegt sind,
Fig. 3B eine Ansicht der rechten Seite des Linsentubus nach Fig. 3A,
Fig. 3C einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 3A und
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung der Lagenbeziehung zwischen dem Linsentubus nach den Fig. 3A bis 3C und einer Blende zur Begrenzung der Größe des durch einen Laser erzeugten Laserstrahls.
Im folgenden ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Gemäß den Fig. 1A und 1B ist eine optische Einheit 2 mit einem äußeren Gehäuse 6 und einer Grundplatte 8 versehen. Die Grundplatte 8 umschließt das äußere Gehäuse 6 und dichtet das Innere der optischen Einheit 2 ab. Die Grundplatte 8 stellt einen Teil eines Laserstrahldruckers dar. Das äußere Gehäuse 6 umfaßt folgendes: Eine Laserdiode 12 zum Erzeugen eines Laserstrahls L; eine Laserabtastvorrichtung 4 aus einem ersten optischen System 10 und einem Abtaster 50, die integriert angeordnet bzw. zu einer Einheit zusammengefaßt sind; und ein zweites optisches System 70. Das erste optische System 10 umfaßt eine Gruppe von Konversionslinsen (bzw. Sammellinsen), während das zweite optische System 70 eine Gruppe von Fokussierlinsen umfaßt. Obgleich nicht dargestellt, enthält die optische Einheit 2 ferner eine optische Überwachungsvorrichtung, die einen Laserstrahl L und ein Datensignal, durch erstes und zweites optisches System 10 bzw. 70 geführt und für die Abtastung eines lichtempfindlichen Körpers 90 benutzt, horizontal synchronisiert.
Die Laserabtastvorrichtung 7 ist auf einer isolierenden Basis 4a montiert, die nicht benutzt zu werden braucht, wenn das äußere Gehäuse aus einem Isoliermaterial geformt ist. Gemäß den Fig. 3A bis 3C sind die Laserdiode 12 und mindestens eine Linse des ersten optischen Systems 10 in der Weise zusammengesetzt, daß ein Linsentubus 30 geformt ist.
Der durch die Laserdiode 12 erzeugte Laserstrahl L wird beim Durchgang durch das erste optische System 10 konvergiert. Der Laserstrahl L wird zum Abtaster 50 gerichtet, durch den er auf den lichtempfindlichen Körper 90 reflektiert wird, um (diesen) mit einer ungleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit abzutasten. Der vom Abtaster 50 reflektierte (oder umgelenkte) Laserstrahl L wird zuerst zum zweiten optischen System 70 gerichtet. Durch dieses zweite optische System 70 wird der Winkel, unter dem die Peflexionsfläche des Abtasters 50 rotiert, entsprechend der vorbestimmten Position auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Körpers 90, d.h. der Strecke, über welche der Laserstrahl L in der Hauptabtastrichtung vom Zentrum der optischen Achse zu einem gegebenen Punkt abtastet, eingestellt. Der vom zweiten optischen System 70 gerichtete Laserstrahl L wird auf den lichtempfindlichen Körper 90 fokussiert und durch zusätzliche Einheiten, wie einen Strahl modulator, eine Dateneingabevorrichtung usw. (nicht dargestellt), modifiziert oder EIN-AUS-gesteuert, um auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Körpers 90 Zeichendaten und/oder Graphikdaten zu erzeugen. Als Ergebnis wird auf der Umfangs- oder Mantelfläche des lichtempfindlichen Körpers 90 ein elektrostatisches Latentbild erzeugt.
Der lichtempfindliche Körper 90 wird durch einen (nicht dargestellten) Antrieb in einer vorbestimmten Richtung in Drehung versetzt. Das elektrostatische Latentbild wird entsprechend der Drehung des lichtempfindlichen Körpers 90 erzeugt. Das auf diese Weise erzeugte elektrostatische Latentbild wird durch eine (nicht dargestellte) Entwicklungseinrichtung entwickelt und dann auf ein gegebenes (nicht dargestelltes) Medium übertragen.
Ein Teil des das zweite optische System 70 passierenden Laserstrahls L wird bei jeder in der Hauptabtastrichtung durchgeführten Abtastung durch einen (nicht dargestellten) Horizontalsynchronisations- bzw. Horizontalsynchron-Detektorspiegel reflektiert (bzw. umgelenkt). Der reflektierte Laserstrahl L wird zu einem (nicht dargestellten) Synchron(isier)signaldetektor für Erfassung der Horizontalsynchronisierung geleitet.
Das erste optische System 10 umfaßt folgendes: Eine Glaslinse 14, welche den durch die Laserdiode 12 erzeugten Laserstrahl L konvergiert; eine erste Kunststofflinse 16, welche den durch die Glaslinse 14 konvergierten Laserstrahl in der Hauptabtastrichtung kollimiert; und eine zweite Kunststofflinse 18, welche den durch die erste Kunststofflinse 16 konvergierten Laserstrahl in der Haupt- und Nebenabtastrichtung konvergiert.
Die Glaslinse 14 ist eine Konvexlinse aus optischem Glas, wie BK7 usw. Sie weist gemäß den Fig. 3A bis 3C einen Flansch 14a auf, mit dessen Hilfe sie an oder in einem Linsentubus 30 gehaltert ist. Die erste Kunststofflinse 16 besteht aus z.B. Polymethylmethacrylat (PMMA) und weist torische Oberflächen auf. Die torischen Flächen besitzen negative Wirkung in der Hauptabtastrichtung und leicht negative Wirkung in der Nebenabtastrichtung. Obgleich nicht dargestellt, weist die erste Kunststofflinse 16 einen Flansch auf, mit dessen Hilfe sie an einem Gehäuse 20 angebracht ist. Sie weist ferner entweder einen Positioniervorsprung oder einen hohlen Positionierabschnitt auf, der im wesentlichen im Zentrum in bezug auf die Hauptabtastrichtung geformt ist.
Entsprechend der ersten Kunststofflinse 16 ist die zweite Kunststofflinse 18 aus z.B. PMMA geformt. Sie weist torische Flächen auf, die positive Wirkung in der Hauptabtastrichtung und negative Wirkung in der Nebenabtastrichtung besitzen. Obgleich nicht dargestellt, weist die zweite Kunststofflinse 18 einen Flansch auf, mit dessen Hilfe sie am Gehäuse 20 angebracht ist. Sie weist ebenfalls entweder einen Positioniervorsprung oder einen hohlen Positionierabschnitt auf, der im wesentlichen im Zentrum in bezug auf die Hauptabtastrichtung ausgebildet ist.
Der Abtaster 50 umfaßt einen Polygonspiegel 66 mit einer Anzahl von Ablenkspiegelflächen 68. Letztere sind jeweils in der Hauptabtastrichtung konvex. Mit anderen Worten: die (jede) Ablenkspiegelfläche 68 ist mit einem vorbestimmten Krümmungsradius R gekrümmt. Bei dieser Ausführungsform sind vier Ablenkspiegelflächen 68 vorgesehen, doch kann ihre Zahl auch einem Mehrfachen von vier entsprechen. Der Polygonspiegel 66 wird durch einen Axialspalt-Motor 60 angetrieben, der folgendes umfaßt: Einen mit der rotierenden Welle 52 des Motors 60 integrierten Rotor 54; ein Direktlager 56, welches die rotierende Welle 52 in einer eine gleichmäßige Rotation ermöglichenden Weise lagert; usw. Der Polygonspiegel 66 ist mittels eines Anschlag- oder Sicherungsrings 62 und eines Federelements 64 zuverlässig am Rotor 54 befestigt.
Das zweite optische System 70 umfaßt eine dritte Kunststofflinse 72 zum Fokussieren eines Laserstrahls L auf die Oberfläche des lichtempfindlichen Körpers 90 und einen Staubschutzdeckel 76 zum Verschließen oder Abdichten der oben angegebenen optischen Elemente der optischen Einheit 2. Bezüglich der Hauptabtastrichtung weist die dritte Kunststofflinse 72 eine Fläche auf, die so geformt ist, daß sie der durch H = fθ ausgedrückten Beziehung genügt. Mit anderen Worten: die Strecke, über die sich der Laserstrahl L von der optischen Achse in der Hauptabtastrichtung proportional zum Winkel θ, unter dem der Polygonspiegel 66 oder jede Spiegelfläche 68 desselben gedreht wird, bewegen soll, ist entsprechend der Strecke H eingestellt, über welche der Laserstrahl L den lichtempfindlichen Körper 90 in der Hauptabtastrichtung vom Zentrum der optischen Achse aus abtastet. Bezüglich der Unterabtastrichtung fungiert die dritte Kunststofflinse 72 als eine Art fθ -Linse, die positive Wirkung aufweist und so gekrümmt ist, daß sich die Wirkung (bzw. Leistung) entsprechend einer Vergrößerung im Ablenkwinkel φ gegenüber der Hauptabtastrichtung verringert. Ebenso wie die erste Kunststofflinse 16, ist die dritte Kunststofflinse 72 aus z.B. PMMA geformt, und sie weist entweder einen Positioniervorsprung oder einen hohlen Positionierabschnitt auf, welcher im Zentrum in bezug auf die Hauptabtastrichtung ausgebildet ist.
Der Staubschutzdeckel 76 ist eine durchsichtige Glas- oder Kunststoffscheibe. Er besteht aus einer optischen Platte oder Scheibe, z.B. aus BK7, Filterglas, PMMA o.dgl. Er besitzt eine Dicke von 2 - 3 mm und ermöglicht den Durchtritt des Laserstrahls L durch ihn. Zum Abschneiden (cut off) von Licht einer Wellenlänge, durch welche der lichtempfindliche Körper 90 ungünstig beeinflußt wird, kann der Staubschutzdeckel 76 mit einer Kantenfilterfunktion versehen sein.
Das erste optische System 10 (d.h. die Linsen 14, 16 und 18) und das zweite optische System 70 (d.h. die Linse 72) sind so angeordnet, daß ihre optischen Achsen einen vorbestimmten Winkel in einer sich in der Nebenabtastrichtung ausbreitenden oder erweiternden Ebene bilden. Die Laserdiode 12 und die Linsen 14, 16 und 18 des ersten optischen Systems 10 sind integriert zusammengesetzt und durch das Gehäuse 20 gehaltert. Das Gehäuse 20 enthält den Linsentubus 30, der später anhand der Fig. 3A bis 3C noch näher erläutert werden wird. Das Gehäuse 20 haltert außerdem eine Blende 22 zur Begrenzung der Intensität oder Größe des konvergenten Laserstrahls L sowie einen ersten Spiegel 24, der zwischen den ersten und zweiten Kunststofflinsen 16 bzw. 18 angeordnet ist und zur Änderung der Laufrichtung des Laserstrahls L dient. Es ist darauf hinzuweisen, daß zwischen der dritten Kunststofflinse 72 und dem Staubschutzdeckel 76 ein zweiter Spiegel 74 zur Änderung der Laufrichtung des Laserstrahls L angeordnet ist.
Der von der Laserdiode 12 erzeugte Laserstrahl L wird durch die Glaslinse 14 so konvergiert, daß er zu einem konvergierten oder kollimierten Laserstrahl L wird. Beim Durchgang durch die Blende 22 wird der Laserstrahl L auf einen vorbestimmten Querschnitt geformt. Der aus der Blende 22 austretende Laserstrahl wird zur ersten Kunststofflinse 16 geleitet. Beim Durchgang durch die erste Kunststofflinse 16 wird der Laserstrahl L in der Hauptabtastrichtung kollimiert und in der Nebenabtastrichtung konvergiert. Der auf diese Weise behandelte Laserstrahl L wird gemäß den Fig. 1A und 1B über den ersten Spiegel 24 auf die zweite Kunststofflinse 18 geworfen. Beim Durchgang durch die zweite Kunststofflinse 18 wird der Laserstrahl L sowohl in Haupt- als auch Nebenabtastrichtung konvergiert.
Die Wirkung (oder Leistung) der ersten Kunststofflinse 16 und die der zweiten Kunststofflinse 18 besitzen solche Polaritäten, daß sie einander in der Hauptabtastrichtung aufheben. Wenn die erste Kunststofflinse 16 positive Wirkung aufweist, besitzt die zweite Kunststofflinse 18 negative Wirkung. Wenn umgekehrt die erste Kunststofflinse 16 negative Wirkung aufweist, besitzt die zweite Kunststofflinse 18 positive Wirkung.
Der aus der zweiten Kunststofflinse 18 austretende Laserstrahl L wird zu einer Ablenkspiegelfläche 68 des Polygonspiegels 66 des Abtasters 50 gerichtet. Nach der Reflexion oder Umlenkung durch den Ablenkspiegel (bzw. die Ablenkspiegelfläche - A.d.Ü.) 68 wird der Laserstrahl L mit einer ungleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit zur dritten Kunststofflinse 72 gerichtet, die - wie erwähnt - als eine Art fθ-Linse fungiert. In der Hauptabtastrichtung unterdrückt die dritte Kunststofflinse 72 die durch die Bildfeldkrümmung hervorgerufenen ungünstigen Wirkungen, und sie korrigiert die Verzeichnungsaberration auf eine zweckmäßige Größe. In der Nebenabtastrichtung korrigiert die dritte Kunststofflinse 72 die Lagenverschiebung des Laserstrahl L auf dem lichtempfindlichen Körper 90, auch wenn sich jede Spiegelfläche 68 des Polygonspiegels 66 neigt oder kippt.
Der aus der dritten Kunststofflinse 72 austretende Laserstrahl L wird über den Staubschutzdeckel 76, der am Gehäuse 6 der optischen Einheit 2 angebracht ist, zum lichtempfindlichen Körper 90 gerichtet.
Erste, zweite und dritte Kunststofflinse 16, 18 bzw. 72 sind aus der gleichen Kunststoffart geformt, so daß ihre Operationen (Wirkungen) zueinander komplementär sind. Wenn sich beispielsweise die Temperatur der optischen Einheit 2 erhöht, verkleinert sich die Absolutgröße der Wirkung (oder Leistung) der Positivlinse (positive-power lens), so daß ein Laserstrahl L geringfügig konvergiert wird. Da jedoch die Absolutgröße der Wirkung (oder Leistung) der der Positivlinse paarig zugeordneten Negativlinse abnimmt, wird der Laserstrahl L gleichzeitig geringfügig zerstreut. Als Ergebnis besitzt der Querschnitt des Laserstrahls L vor und nach seinem Durchgang durch die Linsen im wesentlichen gleiche Form und Größe.
Die Linsen 14, 16, 18 und 72 sowie der Abtaster 50, die bei der obigen Ausführungsform verwendet werden, besitzen die in den nachfolgenden Tabellen 1 und 2 angegebenen optischen Charakteristika bzw. Eigenschaften. TABELLE 1 (Linsencharakteristika in bezug auf die Hauptabtastrichtung) Fokussiersystem Glaslinse Linse Polygonspiegel Wirkung P Brennweite f TABELLE 2 (Linsencharakteristika in bezug auf die Hauptabtastrichtung) Fokussiersystem Glaslinse Linse Polygonspiegel Wirkung P Brennweite f
Im folgenden ist eine Struktur zum Umwandeln des durch die Laserdiode erzeugten Laserstrahls L in einen Laserstrahl L eines Querschnitts einer wünschenswerten bzw. vorgesehenen Größe beschrieben.
Gemäß den Fig. 3A bis 3C ist die Glaslinse 14 am bzw. im Linsentubus 30 mittels eines Druckelements 32 und eines elastischen Elements 34, z.B. einer Wellenscheibe o.dgl. befestigt. Der Linsentubus 30 besteht aus einem Werkstoff eines solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der die Glaslinse 14 nicht ungünstig beeinflußt, eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit zuläßt und ausreichend steif ist. Beispielsweise ist der Linsentubus 30 aus Zink oder Aluminium geformt. Das Druckelement 32 umfaßt einen zylindrischen Abschnitt 32a und einen Gewindeabschnitt 32b. Der zylindrische Abschnitt 32a weist an der die Glaslinse 14 berührenden Seite ein Andruckteil auf. Die Position der Glaslinse 14 kann durch Drehen des Druckelements 32 in der durch einen Pfeil A angedeuteten Richtung justiert werden. Die Glaslinse 14 weist einen Flansch 14a auf. Da dieser Flansch 14a und das Andruckteil des zylindrischen Abschnitts 32a in Linienberührung miteinander stehen, ist das für eine Drehung des Druckelements 32 erforderliche Drehmoment klein. An der vom Andruckteil abgewandten Seite ist im Druckelement 32 eine Bohrung 36 ausgebildet. Zum Einstellen der Position der Glaslinse 14 werden ein speziell konstruiertes Werkzeug in die Bohrung 36 eingeführt und das Druckelement 32 mittels dieses Werkzeugs gedreht. Die Wellenscheibe 34 drückt die Glaslinse 14 in Richtung auf das Druckelement 32, wobei diese Druckkraft (Vorbelastungskraft) ständig auf den Gewindeabschnitt 32b des Druckelements 32 ausgeübt wird. Infolgedessen entsteht zwischen dem Gewindeabschnitt 32b des Druckelements 32 und der Kante (den Gewindegängen) des Gewindeabschnitts 30b des Linsentubus 30 kein unnötiges Spiel. Auf diese Weise kann die Glaslinse 14 genau in der richtigen Position des Linsentubus 30 bzw. in diesem festgelegt werden.
Die Laserdiode 12 ist mittels einer Schraube 42 an einem Laserdioden-Halter 40 befestigt. Die Position oder Lage des letzteren kann in den durch Pfeile B und C angedeuteten Richtungen so eingestellt werden, daß der Laserdioden-Halter 40 in bezug auf den Linsentubus 30 in einer wünschenswerten oder zweckmäßigen Weise positioniert werden kann. Der Laserdioden- Halter 40 wird mittels einer Federscheibe 46, einer flachen Unterleg-Scheibe 44 und einer Schraube 48 mit einem zweckmäßigen Druck gegen den Linsentubus 30 angedrückt. Mit dieser Struktur kann die Richtung, in welcher die Hauptkomponente des Laserstrahls L von der Laserdiode 12 emittiert wird, einfach in bezug auf die optische Achse der Glaslinse 14 eingestellt oder justiert werden.
Die Blende 22 ist am Linsentubus 30 so zum Anhaften gebracht oder angeklebt, daß sie sich am rückseitigen Brennpunkt der Glaslinse 14 befindet.
Gemäß Fig. 4 wird ein Laserstrahl L vom Lichtausgangspunkt 12a der Laserdiode 12 erzeugt. Der Laserstrahl L wird zunächst durch die Glaslinse 14 konvergiert und durch die an bzw. in der hinteren Brennebene der Glaslinse 14 gelegene Blende 22 in der Weise begrenzt, daß der Laserstrahl L einen Strahlfleck einer vorbestimmten Größe bilden kann. Danach wird der Laserstrahl L auf den lichtempfindlichen Körper 90 geworfen. Es sei angenommen, daß die Blende 22 in einer von der hinteren Brennebene der Glaslinse L (bzw. 14) entfernten Position angeordnet ist, beispielsweise in der in Fig. 4 in gestrichelten Linien angegebenen Position 22b. In diesem Fall wird die Größe des die Blende 22 passierenden Laserstrahls L abhängig von der Lage des Laseremissionspunkts 12a der Laserdiode 12 stark variiert. Wenn der Laseremissionspunkt 12a zu der mit 12b bezeichneten Position verschoben wird, verringert sich die Größe des die Blende 22 passierenden Laserstrahls L auf etwa die Hälfte. Mit anderen Worten: wenn die Blende 22 an bzw. in der hinteren Brennebene der Glaslinse 14 angeordnet ist, kann die Intensität bzw. Stärke oder Größe des zum lichtempfindlichen Körpers 90 gerichteten Laserstrahls L praktisch unverändert bleiben, auch wenn die Hauptkomponente des durch die Laserdiode 12 erzeugten Laserstrahls gegenüber der optischen Achse der Glaslinse 14 verschoben ist.
Im folgenden ist die Art und Weise beschrieben, auf welche die in obige optische Einheit 2 eingebauten Linsen und optischen Elemente unabhängig von Änderungen in Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit eine konstante Abbildungsfläche aufweisen können.
Es sei angenommen, daß mit nt ein in bezug auf 1ºC bestimmter spezifischer Temperaturkoeffizient, mit αt ein in bezug auf 1ºC bestimmter linearer Ausdehnungskoeffizient, mit Δt eine Temperaturänderung (ºC), mit nm ein in bezug auf 1% bestimmter spezifischer Koeffizient der Feuchtigkeitsabsorption, mit αm ein in bezug auf 1% bestimmter feuchtigkeitsabhängiger Koeffizient der Ausdehnung, mit Δm eine Änderung (%) im Feuchtigkeitsabsorptionskoeffizienten und mit f die Brennweite der dritten Kunststofflinse 72 bezeichnet sind. In diesem Fall läßt sich eine temperaturabhängige Änderung Δft der Brennweite annähernd wie folgt bestimmen:
Δft = (-nt + αt) f Δt ...(1)
Zwischenzeitlich bzw. andererseits läßt sich eine feuchtigkeitsabhängige Änderung Δfm der Brennweite angenähert wie folgt bestimmen:
Δfm = (-nm + αm) f Δm ...(2)
Es sei angenommen, daß die Brennweite f, die Temperaturänderung (oder -abweichung) Δt und die Feuchtigkeitsänderung (oder -abweichung) 45 mm, 30ºC bzw. 1% betragen. In diesem Fall gelten: nt = -2,09 x 10&supmin;&sup4;/ºC und αt = 7 x 10&sup5;/ºC. Die temperaturabhängige Änderung Δft der Brennweite der dritten Kunststofflinse 72 läßt sich daher anhand von Formel (1), wie unten angegeben, berechnen:
Δft = 0,37665 mm
Da im oben angegebenen Fall nm = 8,45 x 10&supmin;&sup4;/% und αm = 2,16 x 10&supmin;³/% gelten, kann die feuchtigkeitsabhängige Änderung Δfm der Brennweite der dritten Kunststofflinse 72 anhand von Formel (2), wie unten angegeben, berechnet werden:
Δfm = 0,059175 mm
Anhand der temperaturabhängigen Änderung Δft und der feuchtigkeitsabhängigen Änderung Δfm, wie oben angegeben, läßt sich die Gesamtänderung (oder -abweichung) Δf wie folgt ausdrücken:
Δf = Δft + Δfm = 0,43583 mm
Da die tatsächliche Brennweite f der dritten Kunststofflinse 72 die Gesamtänderung Δf beinhaltet, läßt sie sich wie folgt ausdrücken:
f + Δf = f + Δft + Δfm = 45,43584 mm
Wenn der Abstand oder die Strecke Z&sub0; zwischen dem Brennpunkt des von der optischen Einheit 2 emittierten Laserstrahls in bezug auf die Nebenabtastrichtung und der vorderen Hauptebene der dritten Kunststofflinse 72 gleich 90 mm ist, sollte (muß) der Abstand bzw. die Strecke Z&sub1; zwischen der hinteren Hauptebene der dritten Kunststofflinse 72 und einem Punkt, auf welchem der Laserstrahl konvergiert sein muß gleich 90 mm sein. Da jedoch der tatsächliche Abstand zwischen dem rückseitigen Hauptpunkt der dritten Kunststofflinse 72 und der Oberfläche des lichtempfindlichen Körpers 90 eine durch
Temperatur und Feuchtigkeit verursachte Änderung beinhaltet, läßt er sich ausdrücken zu:
Z&sub1; + ΔZ = 91,74332 mm (ΔZ = 4Δf)
In dem Fall, in welchem die tatsächliche Brennweite eine Änderung Δf beinhaltet, läßt sich daher die Größe eines Querschnitts des Laserstrahls L wie folgt ausdrücken:
Darin bedeuten: W = ein Radius (um) des Laserstrahls L in dem Zustand, in welchem die tatsächliche Brennweite von f auf "f + Δf" geändert oder variiert worden ist; W&sub0; = ein Radius (um) des Laserstrahls L in dem Zustand, in welchem die tatsächliche Brennweite nicht variiert und daher f beträgt; und λ = Wellenlänge (um) des Laserstrahls.
Unter der Annahme oder Voraussetzung, daß λ = 785 nm und W&sub0; = 25 um betragen, kann der Radius W des Laserstrahls L auf der Grundlage von Formel (3) zu 30,78 um berechnet werden, sofern die Brennweite nicht korrigiert ist oder wird. In diesem Fall liegt die Änderung im Radius von W&sub0; des Laserstrahls L in der Größenordnung von (ungefähr) 23%.
Zur Verbesserung der optischen Charakteristika oder Eigenschaften einer dünnen Linse muß die chromatische Aberration von der (oder an der) Oberfläche des lichtempfindlichen Körpers 90 beseitigt sein. Die Bedingung zur Ermöglichung dieser Beseitigung bestimmt sich durch:
In obiger Formel bedeuten: hi = Abstand zwischen einem Punkt einer i-ten Linse, auf welche der Laserstrahl fällt, und einem optischen Achszentrum; fi = Brennweite der i-ten Linse; i = Teil- bzw. Partialdispersionsverhältnis der i-ten Linse; und m = Gesamtzahl der optischen Elemente.
Formel (4) wird benutzt, wenn die Wellenlänge λ des auf jedes optische Element fallenden Laserstrahls sich ändert und die optischen Elemente bezüglich des Brechungsindex voneinander verschieden sind. Bezüglich der temperatur- und feuchtigkeitsabhängigen Änderungen in Brechkraft und/oder Form jeder Linse kann das "Partialdispersionsverhältnis i" unter der Annahme oder Voraussetzung, daß eine Änderung im "Partialdispersionsverhältnis i" einer Änderung in der Wellenlänge entspricht, wie folgt ausgedrückt werden:
Wenn das "Partialdispersionsverhältnis i" nach Formel (4) durch ein "Pseudo-Partialdispersionsverhältnis 'i" ersetzt wird, das von Änderungen oder Variationen von Temperatur und Feuchtigkeit abhängt, und wenn dieses "Pseudo-Partialdispersionsverhältnis v'i" als eine konstante Größe vorausgesetzt wird, die auf der Grundlage der temperatur- und feuchtigkeitsabhängigen Änderungen von Brechungsindex und Form bestimmt ist oder wird, wird aus Formeln (1) und (2) die folgende Formel abgeleitet:
Wenn diese Formel bzw. Gleichung (5) erfüllt ist, wird eine Änderung der Größe des auf die Oberfläche des lichtempfindlichen Körpers 90 fokussierten Laserstrahls L unabhängig von Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen verhindert. Mit anderen Worten: die Verschiebung (shift) der Abbildungsfläche kann von bzw. auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Körpers 90 beseitigt sein, wenn die nachstehende Formel erfüllt ist:
Da das Pseudo-Partialdispersionsverhältnis 'i eine von Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen oder -schwankungen abhängige Funktion ist, sollten die Linsen zweckmäßig aus der gleichen Werkstoffart bestehen. Wenn die Linsen aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt sind, ist die Bedingung nach Formel (6) schwierig zu erfüllen, wenn Temperatur und Feuchtigkeit in einem weiten Bereich variieren. Bei der obigen Ausführungsform enthält das erste optische System eine Kombination aus einer Glaslinse und Kunststofflinsen. In der nachstehenden Beschreibung wird daher unabhängig voneinander betrachtet werden, wie die Glaslinse korrigiert ist oder wird, um der Formel (6) zu genügen, und wie die Kunststofflinsen korrigiert sind oder werden, um der Formel (6) zu genügen.
Wenn die Kunststofflinsen aus dem gleichen Werkstoff bestehen, ist die Größe des Pseudo-Partialdispersionsverhältnisses 'i unabhängig von Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen konstant. Formel (6) kann daher umgeschrieben werden zu:
Wenn die obige Formel bzw. Gleichung erfüllt ist, kann daher eine Verschiebung der Abbildungsfläche in bezug auf die Oberfläche des lichtempfindlichen Körpers 90 auch dann korrigiert sein oder werden, wenn Temperatur und Feuchtigkeit variieren oder die Wellenlänge in irgendeiner Weise variiert:
Es ist darauf hinzuweisen, daß (der Terminus oder Faktor) 1/ i eines im Polygonspiegel 66 enthaltenen Spiegels (bzw. einer Spiegelfläche) 68 vernachlässigbar ist, weil die betreffenden Wirkungen oder Einflüsse im Vergleich zu den Einflüssen, die durch Temperatur- und Feuchtigkeits- oder Wellenlängenänderungen herbeigeführt werden, sehr klein sind. Wenn eine Linse verdickt wird, kann daher Formel (8) wie folgt umgeschrieben werden:
In diesem Fall kann jedoch die Brennweite der gesamten optischen Einheit korrigiert sein, wenn Formel (Gleichung) (8) erfüllt ist.
Bezüglich der Glaslinse 14 ist es nur nötig, eine temperaturabhängige Änderung oder Variation der Brennweite zu berücksichtigen (consider), weil die Glaslinse 14 kaum Feuchtigkeit absorbiert. Wenn somit Werkstoff und Form des Linsentubus 30 zweckmäßig bestimmt sind, kann die temperaturabhängige Änderung der Brennweite der Glaslinse 14 durch die Wärmeausdehnung des Linsentubus 30 aufgehoben sein oder werden. Bezüglich der Glaslinse 14 lassen sich daher die folgenden Gleichungen ableiten:
Δfi = 0 und 'i = ∞.
Wie sich aus Formel (4) ergibt, sollten die ersten und zweiten Kunststofflinsen eine Kombination aus einer Positivlinse und einer Negativlinse sein. Da das zweite optische System eine kleine Wirkung oder Leistung (power) in der Hauptabtastrichtung aufweist, enthält das erste optische System eine Glaslinse sowie auch Kunststofflinsen mit jeweils positiver Wirkung und negativer Wirkung, die es ermöglichen, daß die Absolutgrößen der Brennweiten im wesentlichen einander gleich werden. Der Bereich, in welchem die zweite Kunststofflinse angeordnet ist, kann - nebenbei bemerkt - erweitert werden oder sein, wenn die erste Kunststofflinse mit negativer Wirkung versehen ist, so daß ein Axialstrahl kollimiert werden kann. Bezüglich der Nebenabtastrichtung ist zu bemerken, daß das die dritte Kunststofflinse beinhaltende zweite optische System einen Mechanismus für die Korrektion eines durch Spiegelneigung verursachten Fehlers aufweist. Das erste optische System sollte (muß) mithin der folgenden Formel genügen:
In obiger Formel bedeutet: 1 = eine Zahl, die durch Addition von 1 zu der Zahl der im ersten optischen System integrierten Linsen erhalten wird.
Es ist anzumerken, daß die Größe des optischen Systems durch Verkleinerung der Wirkung oder Leistung der ersten Linse des ersten optischen Systems und durch Vorsehen eines großen Teils negativer Wirkung oder Leistung für die zweite Linse verkleinert werden oder sein kann. Die Strecke, über welche sich der Bildpunkt des gesamten optischen Systems in der Nebenabtastrichtung bewegt, wird daher kürzer als die Strecke, über welche sich der eigentliche Bildpunkt der dritten Kunststofflinse bewegt.
Es sei angenommen, daß ' das Pseudo-Partialdispersionsverhältnis der in der optischen Einheit 2 enthaltenen Linsengruppe repräsentiert, die Temperaturänderung oder -variation Δt gleich 30ºC ist und die Feuchtigkeitsänderung oder -variation Δm 1% entspricht. Wenn in diesem Fall die Größen von nt, nm, αt und αm den Größen beim herkömmlichen Fall gleich sind, kann 1/ ' auf der Grundlage der Formeln (1) und (2) wie folgt berechnet werden:
Da die Glaslinse 14 aus optischem Glas BK7 geformt ist, ist ihre Feuchtigkeitsabsorption vernachlässigbar. Aus diesem Grund kann durch Ersetzen bzw. Einsetzen von (-3 x 10&supmin;&sup6;) für nt und
(9 x 10&supmin;&sup6;) für αt 1/ ' wie folgt berechnet werden:
Da der Abtaster 50 aus Aluminium geformt ist, ist seine Feuchtigkeitsabsorption, wie im Fall der Glaslinse 14, vernachlässigbar. Folglich kann durch Ersetzen oder Einsetzen von (-2,36 x 10&supmin;&sup5;) für αt (der Faktor) 1/ ' wie folgt berechnet
Darin bedeutet: R = Krümmung der Ablenkspiegel 68 des Abtasters 50.
Der "Faktor" 1/ ' der Glaslinse 14 sollte von ungünstigen Einflüssen frei sein, die durch Wellenlängenänderungen verursacht sein können. Mit anderen Worten: die Größe oder der Wert nach jeder der Formeln (4) und (6) sollte Null betragen. Da 1 (d.h. die durch Addition von 1 zur Zahl der im ersten optischen System enthaltenen Linsen abgeleitete Zahl) gleich 4 und m (d.h. Zahl der gesamten optischen Elemente) gleich 5 sind, lassen sich Formeln (4) und (6) jeweils auf nachstehend angegebene Weise umschreiben:
In obigen Formeln bedeuten:
g = Partialdispersionsverhältnis des optischen Glases BK7;
'g = Pseudo-Partialdispersionsverhältnis, welches das optische Glas BK7 in bezug auf Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen aufweist;
p = Partialdispersionsverhältnis von PMMA;
'p = Pseudo-Partialdispersionsverhältnis von PMMA in bezug (oder gegenüber) Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen;
a = Partialdispersionsverhältnis von Aluminium; und
'a = Pseudo-Partialdispersionsverhältnis von Aluminium in bezug auf Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen.
Die Größen von 'g und 'a können entsprechend der Temperatur variieren, während die Größe von 'p entsprechend (in Abhängigkeit von) sowohl Temperatur als auch Feuchtigkeit variieren kann. Um somit den Formeln (11) und (12) unter allen Umgebungsbedingungen zu genügen, sind oder werden die optischen Elemente der optischen Einheit 2 so ausgelegt, daß die folgenden drei Formeln (Gleichungen) gleichzeitig erfüllt sind:
Wie oben angegeben, kann temperatur- und feuchtigkeitsabhängige Abbildungsflächenverschiebung bezüglich jeder der Linsen, die in der optischen Einheit gemäß dieser Erfindung enthalten sind, optisch korrigiert werden. Weiterhin wird eine Verformung jeder Kunststofflinse unabhängig von Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen verhindert. Mit anderen Worten: temperatur- und/oder feuchtigkeitsabhängige Änderungen bzw. Variationen der optischen Eigenschaften jeder Linse können optisch korrigiert sein oder werden, so, als ob eine achromatische Bedingung (d.h. eine Bedingung, welche die Beseitigung chromatischer Aberration ermöglicht) vorgesehen wäre. Demzufolge können nahezu alle Linsen von erstem und zweitem optischen System aus Kunststoff bestehen. Da weiterhin die dritte Kunststofflinse des zweiten optischen Fokussiersystems nicht mechanisch bewegt bzw. verschoben zu werden braucht, arbeitet die optische Einheit gemäß dieser Erfindung in stabiler Weise. Darüber hinaus können nahezu alle Linsen von erstem und zweitem optischen System aus Kunststoff bestehen; die optische Einheit läßt sich daher kostengünstig herstellen.

Claims

1. Abtastende optische Einheit, umfassend:

eine Einrichtung (12) zum Erzeugen eines Lichtstrahls,

eine Einrichtung (10) zum Umwandeln des erzeugten Lichtstrahls in einen konvergenten (konvergierten) Lichtstrahl, wobei die Umwandlungseinrichtung (10) eine erste Kunststofflinse (16) mit einer Wirkung oder Leistung (power) der einen Polarität in einer Hauptabtastrichtung und eine weite Kunststofflinse (18) mit einer Wirkung oder Leistung einer von der einen Polarität verschiedenen Polarität in der Hauptabtastrichtung aufweist,

eine Einrichtung (50) zum Richten des von der Umwandlungseinrichtung (10) emittierten Lichtstrahls zu einem Objekt (90) hin, um das Objekt (90) mit dem Lichtstrahl abzutasten, und

eine Einrichtung (70) zum Führen des zum Objekt (90) gerichteten konvergenten Lichtstrahls unter Verarbeitung des konvergenten Lichtstrahls so, daß er einen Querschnitt einer vorbestimmten Größe und Form aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die ersten und zweiten Linsen (16, 18) Brennweiten besitzen, die komplementär zueinander variieren,

die erste Konststofflinse (16) eine Linse mit negativer Wirkung oder Leistung (power) in der Hauptabtastrichtung und die zweite Kunststofflinse (18) eine Linse mit positiver Wirkung oder Leistung in der Hauptabtastrichtung und mit negativer Wirkung oder Leistung in einer Nebenabtastrichtung umfassen,

die Umwandlungseinrichtung (10) ferner mindestens eine an einer Strahleinfallseite derselben angeordnete Glaslinse (14) aufweist,

die Führungseinrichtung (70) eine dritte Kunststofflinse (72) aufweist und

die Umwandlungseinrichtung (10) sowie die Fokussiereinrichtung (70) jeweils eine optische Charakteristik oder Eigenschaft besitzen, die zumindest in einer Nebenabtastrichtung der (die) nachstehende (n) Beziehung genügt bzw. erfüllt:

worin bedeuten:

i = das optische Element, von einer Lichtstrahl- Einfallsseite her gezählt;

'i = Pseudo-Partialdispersionsverhältnis des i-ten optischen Elements, definiert durch Δfi/fi = 1/ 'i, mit fi = Brennweite des i-ten Elements und Δfi = Änderung oder Variation der Brennweite des i-ten Elements in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung von 1ºC und/oder einer Feuchtigkeitsänderng von 1% ( 'i = ∞ im Fall einer Glaslinse in bezug auf Feuchtigkeit);

hi = ein(e) Abstand oder Strecke zwischen einer Zentralachse des i-ten optischen Elements und einem Punkt, an welchem der Lichtstrahl von der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung (12) auf das i-te optische Element einfällt;

l = eine Zahl durch Addition von 1 zur Zahl der in der Umwandlungseinrichtung enthaltenen (integrierten) Linsen abgeleitet; und

m = Gesamtzahl der optischen Elemente.

2. Optische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl, der die zweite Kunststofflinse (18) der Umwandlungseinrichtung (10) passiert hat, eine axiale Lichtstrahlkomponente aufweist, die in der Hauptabtastrichtung läuft und die im wesentlichen den gleichen Konvergenzwinkel (converging angle) wie der aus der Glaslinse (14) austretende axiale Lichtstrahl aufweist,

3. Optische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaslinse (14) eine asphärische Linse enthält bzw. umfaßt.

4. Optische Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaslinse (14) eine Linse enthält bzw. umfaßt die aus folgendem gebildet ist: einem sphärischen Glaslinsenteil und einer asphärischen Flächenschicht, die auf dem sphärischen Glaslinsenteil geformt und aus einem vom Werkstoff des sphärischen Glaslinsenteils verschiedenen Werkstoff hergestellt ist.

5. Optische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Konststofflinse (16, 18) sowie die dritte Linse (72) im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

6. Optische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Kunststofflinse (16, 18) sowie die dritte Linse (72) im wesentlichen den gleichen Feuchtigkeitsabsorptionskoeffizienten aufweisen.

7. Optische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kunststofflinse (16), die zweite Kunststofflinse (18) und die dritte Kunststofflinse (72) aus der gleichen Kunststoffart geformt sind.