DE69111842T2

DE69111842T2 - Optisches System zur Abtastung mit Lichtstrahlen.

Info

Publication number: DE69111842T2
Application number: DE69111842T
Authority: DE
Inventors: Kazuyuki Kondo
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1991-02-06
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: EP0441350A2; JP2623147B2; EP0441350A3; KR910015894A; KR950000087B1; DE69111842D1; EP0441350B1; JPH03231218A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zum Abtasten eines Lichtstrahls gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, das für die Verwendung in einem Laserstrahl-Drucker, einer digitalen Kopiermaschine oder dergleichen geeignet ist. Solche optischen Abtastsysteme sind beispielsweise aus DE-A-32 38 665, DE-A-32 07 468 und US-A- 4 866 459 bekannt.
Herkömmliche optische Systeme für solches Abtasten von Lichtstrahlen nutzen im wesentlichen die Ablenkung von Lichtstrahlen von einem sich drehenden Polygonspiegel aus, wie in der U.S.-Patentschrift Nr. 4 379 612 beschrieben. Wenn die reflektierenden Flächen von solch einem Polygonspiegel einen Winkelfehler (Flächenneigung) in Bezug auf die Drehachse beeinhalten, wird der Lichtstrahl in Abtastbewegung verschoben, wodurch das endgültige Bild-Ausgangssignal unerwünscht beeinflußt wird. Um solch einen unerwünschten Einfluß der Flächenneigung zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, wie in der vorstehend erwähnten Patentschrift beschrieben, den sich drehenden Polygon-Spiegel und die abgetastete Ebene (bestrahlte Ebene) mittels einer torischen Linse in eine optisch konjugierte Beziehung zu setzen. Es ist auch vorgeschlagen worden, wie in der U.S.-Patentschrift Nr. 4 639 072 beschrieben, den Einfluß der Flächenneigung zu lindern, indem man eine zylindrische Linse in die Nähe der von dem Lichtstrahl abgetasteten Ebene positioniert.
Bei dem vorstehend erwähnten Aufbau unter Verwendung einer torischen Linse muß jedoch, um die Aberrationen zum Aufrechterhalten einer erwünschten optischen Leistungsfähgkeit zu korrigieren, die torische Linse in ihrer Form in der Haupt-Abtast-Querschnittsebene dicht an einer plan-konvexen Linse sein, und eine sphärische konkave Linse, die sich zwischen der torischen Linse und dem sich drehenden Polygon-Spiegel befindet, muß dicht an einer plan-konkaven oder bikonkaven Form sein, so daß der Bildwinkel unvermeidbar beschränkt ist. Anders ausgedrückt wird ein breiterer Bildwinkel mit demselben optischen Leistungsvermögen unvermeidlich dickere Linsen erfordern, und als ein Ergebnis wird das Gerät größer werden.
Es ist auch im allgemeinen schwierig, die torische Linse herzustellen, und die Verwendung der torischen Linse ist ein Faktor erhöhter Kosten.
Um solche Nachteile zu vermeiden, kann man sich vorstellen, die torische Linse mit einem Kunststoffmaterial herzustellen, aber, da die torische Linse einen bedeutenden Anteil der Kraft des gesamten herkömmlichen optischen Systems, das aus einer konkaven sphärischen Linse und einer konvexen torischen Linse von der Seite des sich drehenden Polygon-Spiegel besteht, darstellt, ist die Kraft-Schwankung der Kunststofflinse, die sich aus Veränderungen der Umgebungsbedingungen ergibt, nicht vernachlässigbar und führt beispielsweise zu einer Defokussierung auf der abgetasteten Ebene.
Andererseits wird die andere herkömmliche Struktur unter Verwendung der zylindrischen Linse in der Nähe der abgetasteten Ebene weniger durch die Umgebungsbedingungen beeinflußt, aber die Anwesenheit von solch einer optischen Komponente wie der zylindrischen Linse dicht an einer lichempfindlichen Trommel ist unerwünscht, beispielsweise in einem elektrophotographischen Laserstrahl-Drucker, da zahlreiche Verfahrenskomponenten wie beispielsweise die Entwicklungseinheit und die Reinigungsstation sich dicht bei der lichtempfindlichen Trommel befinden. Auch neigt solch eine zylindrische Linse, wenn sie sich dicht bei der lichtempfindlichen Trommel befindet, dazu, einem unerwünschten Einfluß durch Beflecken mit Toner, Wärme, Ozon usw. unterzogen zu werden.
Unter Berücksichtigung des vorstehenden ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System zum Abtasten mit Lichtstrahlen bereitzustellen, das ausgezeichnet im Leistungsvermögen, der Erweiterung des Bildwinkels, der Kompaktheit, der Beständigkeit gegenüber Schwankungen der Umgebungsbedingungen und den Kosten ist.
Die vorstehend erwähnte Aufgabe kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein optisches Abtastsystem zur Verwendung in einer Lichtstrahl-Abtastvorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahls durch Ablenkeinichtungen (z.B. einen sich drehenden Polygon-Spiegel) gelöst werden, wodurch eine Ebene (z.B. eine lichtempfindliche Trommel) abgetastet wird, das sich zwischen der Ablenkeinrichtung und der abgetasteten Ebene befindet, wobei das optische System aus einer sphärischen Linse mit einer positiven Kraft und einer torischen Linse zusammengesetzt ist, die dicht an einer Fläche der sphärischen Linse positioniert ist, die der abgetasteten Ebene gegenübersteht und positive Kraft sowohl in dem Haupt- als auch dem Neben-Abtast-Querschnitt hat, wobei mindestens eine Fläche der torischen Linse in dem Haupt-Abtast-Querschnitt asphärisch ist. Die torische Linse ist so gestaltet, daß sie die folgenden Beziehungen erfüllt:
0,1 < fa/f2a < 0,3;
0,25 < f2b/fa < 0,5;
0,6 < l/fa < 1;
0 < dmax/f2b < 0,15,
worin f2a die Brennweite der torischen Linse in dem Haupt- Abtast-Querschnitt ist; f2d die Brennweite der torischen Linse in dem Neben-Abtast-Querschnitt ist; fa die zusammengesetzte Brennweite der sphärischen Linse und der torischen Linse in dem Haupt-Abtast-Querßchnitt ist; der Abstand zwischen der torischen Linse und der abgetasteten Ebene ist; und dmax die maximale Dicke der torischen Linse in der optischen Achse ist.
Insbesondere ist die sphärische Linse annähernd planar in ihrer Fläche, die sich dichter an der Ablenkeinrichtung befindet, und ist konvex in der anderen Fläche, die sich dichter an der abgetasteten Ebene befindet. Die torische Linse hat eine konzentrische Form mit dem Zentrum des Krümmungsradius bei einer Seite, die dichter an der Ablenkeinrichtung liegt.
Die torische Linse kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial zusammengesetzt sein, und unter den vier vorstehend genannten Bedingungen sind die letzten zwei wichtig bei der Herstellung der Linse aus einem Kunststoffmaterial.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Ansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in ihrer Haupt-Abtastebene ist;
Fig. 2 eine Ansicht der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in ihrer Neben-Abtastebene ist;
Fig. 3 ein Diagramm der Aberration der Bildebenen-Krümmung der ersten Ausführungsform ist;
Fig. 4 ein Diagramm der Aberration ist, das die f-Θ- Eigenschaften der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 5 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform ist; und
Fig. 6 eine Ansicht einer dritten Ausführungsform ist.
Nun wird die vorliegende Erfindung im Detail durch ihre bevorzugten Ausführungsformen, die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt werden, erläutert.
Fig. 1 und 2 veranschaulichen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, jeweils in der Haupt-Abtast- Querschnittsebene und in der Neben-Abtast-Querschnittsebene, die die optische Achse enthält und senkrecht zu der Hauptabtastebene ist.
In Fig. 1 wird ein von einem Halbleiter-Laser 1 emittierter Lichtstrahl durch eine Kollimatorlinse 2 in einen im wesentlichen parallelen Stahl umgewandelt, dann wird er durch eine Blendenöffnung 3 in die Größe ihres Querschnitts geformt und tritt in eine zylindrische Linse 4 ein. Da die zylindrische Linse 4 eine Kraft in dem Neben-Abtast- Querschnitt hat, aber keine Kraft in dem Haupt- Abtastquerschnitt hat, tritt der Lichtstrahl in einen sich drehenden Polygon-Spiegel 5 ein, wobei der Zustand des parallelen Strahls im Haupt-Abtastquerschnitt beibehalten wird, aber in einer Linie in dem Neben-Abtast-Querschnitt fokussiert wird. Der sich drehende Polygon-Spiegel 5 dreht sich bei einer konstanten hohen Geschwindigkeit in einer durch einen Pfeil angegebenen Richtung, so daß der einfallende Lichtstrahl durch Reflektion durch den Spiegel abgelenkt wird und in der Haupt-Abtastebene in eine Abtastbewegung gesetzt wird.
Der mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit abgelenkte Strahl geht durch eine sphärische Linse 6 mit einer positiven Kraft und eine torische Linse mit positiver Kraft sowohl in dem Haupt- als auch dem Neben-Abtast-Querschnitt durch und wird auf einer lichtempfindlichen Trommel 8 fokussiert, womit eine lineare Abtastbewegung mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit erzielt wird.
In Fig. 2 gibt P die Position der reflektierenden Fläche des sich drehenden Polygon-Spiegels 5 an und im Neben-Abtast- Querschnitt wird der Lichtstrahl im wesentlichen auf diesem Punkt P göbündelt, wie vorstehend erklärt. Da die reflektierende Fläche P und die lichtempfindliche Trommel 8 optisch im wesentlichen in konjugierter Beziehung stehen, kann der Lichtstrahl auf derselben Abtastlinie auf der lichtempfindlichen Trommel 8 fokussiert werden, selbst wenn die reflektierende Fläche P einen Winkelfehler (Flächenneigung) in der Neben-Abtast-Querschnittsebene enthält. Somit wird ein Kompensiersystem für die Flächenneigung des sich drehenden Polygon-Spiegels 5 bereitgestellt.
In dem vorstehend erklärten Aufbau sind die Abtastlinsen 6, 7 in der folgenden Weise aufgebaut, um eine zufriedenstellende Bildebenen-Krümmung und f-Θ-Eigenschaft über einen breiten Bildwinkel in der Haupt-Abtastebene zu verwirklichen.
Zuerst ist in der sphärischen Linse 6 mit positiver Kraft die Fläche, die sich dichter an dem sich drehenden Polygon- Spiegel 5 befindet, fast planar geformt, um eine negative Verzeichnung zu erzeugen, um zufriedenstellende f-Θ- Eigenschaften zu verwirklichen. Die Fläche, die sich dichter an der lichtempfindlichen Trommel befindet, ist konvex zu ihr gebildet, um in ausreichendem Naße die Bildebenen-Krümmung zu korrigieren.
Die torische Linse 7 befindet sich hinter und dicht an der sphärischen Linse 6 und hat eine konzentrische Form (die Mittelpunkte der Krümmungsradien von beiden Flächen der torischen Linse 7 befinden sich an der Seite des sich drehenden Polygon-Spiegels und dicht zueinander), in der mindestens eine der Flächen in der Haupt-Abtast- Querschnittsebene asphärisch ist, um die Krümmung der Bildebene über einen breiten Bildwinkel zu korrigieren. Außerdem, da wohlausgewogene Korrekturen der f-Θ- Eigenschaften und der Bildebenen-Krümmung in der Abtastrichtung und in der meridionalen Richtung in dem Fall einer übermäßigen Kraft der torischen Linse 7 in der Haupt- Abtast-Querschnittsebene schwierig werden, wird die Kraft so verringert, daß die Bedingung 0,1 < fa/f2a < 0,3 erfüllt ist, worin f2a die Brennweite der torischen Linse in der Haupt- Abtast-Querschnittsebene ist, während fa die zusammengesetzte Brennweite der sphärischen Linse 6 und der torischen Linse 7 in der Ebene ist.
Insbesondere wird, wenn man unter der unteren Schranke ist (d.h. f2a > 10 fa), die Korrektur von Aberrationen leichter gemacht, aber die torische Linse 7 befindet sich dichter an der abgetasteten Ebene (lichtempfindliche Trommel 8) und wird unvermeidlich groß. Andererseits ist, wenn man sich oberhalb der oberen Schranke befindet (d.h. f2a < 3,333.. × a), ein kleinerer Wert von f2a hinsichtlich der größeren Kompaktheit des Geräts begünstigt, aber es macht es schwierig, die f-Θ- Eigenschaft und die Bildebenen-Krümmung in einer wohlausgewogenen Weise zu korrigieren.
Andererseits ist die Brennweite f2b der torischen Linse 7 in der Neben-Abtastguerschnittsebene so gewählt, daß die Bedingung 0,25 < f2b/fa < 0,5 erfüllt ist, um in zufriedenstellender Weise die Bildebenen-Krümmung in der sagittalen Richtung (senkrechte Richtung zu der optischen Achse in der Neben-Abtast-Querschnittsebene) zu korrigieren.
Oberhalb der oberen Schranke der Bedingung (d.h. f2b > 0,5 fa) wird f2b größer, womit die Korrektur von Aberrationen erleichtert wird, aber die torische Linse 7 befindet sich unerwünschterweise dichter an der abgetasteten Ebene (lichtempfindliche Trommel 8) wie in dem vorstehend erwähnten herkömmlichen Aufbau. Auch wird unterhalb der unteren Schranke (d.h. f2b < 0,25 fa) f2b kleiner, womit es schwierig gemacht wird, ausgewogene Korrekturen der Bildebenen-Krümmung in der meridionalen und sagittalen Richtung zu erzielen.
Darüber hinaus befindet sich die torische Linse 7 so, daß die Beziehung 0,6 < l/fa < 1 erfüllt ist, worin ,oder Abstand zwischen der torischen Linse 7 und der abgetasteten Ebene ist. Unterhalb der unteren Schranke (d.h. l < 0,6 fa) wird das Gerät voluminös und der Effekt zum Kompensieren der Flächenneigung wird eingeschränkt. Andererseits wird oberhalb der oberen Schranke (d.h. l > fa) die torische Linse 7 eine stärkere Kraft haben, und es wird sich eine nicht zu tolerierende Defokussierung auf der abgetasteten Ebene ergeben, beispielsweis aufgrund von Veränderungen der Umgebungsbedingungen, insbesondere, wenn die torische Linse 7 unter Berücksichtigung der Kosten aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.
Darüber hinaus ist die torische Linse 7 so dünn gebildet, daß die Bedingung 0 < dmax/f2b < 0,15 erfüllt ist, worin dmax die maximale axiale Dicke der torischen Linse ist. Durch diese Bedingung wird die Defokussierung auf der abgetasteten Ebene verringert, die sich aus Veränderungen der Umgebungsbedingungen ergibt, insbesondere Feuchtigkeitsabsorption der torischen Linse 7 und es wird die Formung der torischen Linse 7 aus einem Kunststoffmaterial ermöglicht.
Wie vorstehend erklärt, wird durch die Verwendung einer dünnen torischen Linse mit einer relativ schwachen Kraft mit einer asphärischen Fläche zugelassen, ein preiswertes optisches Abtastsystem zu erhalten, das zufriedenstellendes Leistungsvermögen über einem breiten Bildwinkel zeigt, und das wenig durch Veränderung der Umgebungsbedingungen beeinflußt wird, selbst, wenn die torische Linse mit einem Kunststoffmaterial geformt wird.
Fig. 3 und 4 zeigen die Bildebenen-Krümmung und die f-Θ- Eigenschaften der ersten Ausführungsform, in der die sphärische Linse mit positiver Kraft aus Glas zusammengesetzt ist, während die torische Linse mit positiver Kraft aus einem Kunststoffmaterial zusammengesetzt ist.
Im folgenden wird ein spezielles numerisches Beispiel der ersten Ausführungsform angegeben:
Brennweite des gesamten Systems 184 mm
maximaler Abtastwinkel 80º
Ablenkpunkt - R&sub1;-Ebene 54,6 mm
R&sub1; = ∞ D&sub1; = 16,7
worin R&sub1; bis R&sub4; Krümmungsradien der Linsenflächen in der Haupt-Abtast-Querschnittsebene sind, in der Reihenfolge von der Seite des sich drehenden Polygon-Spiegels 5, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt; R&sub3;' und R&sub4;' Krümmungsradien in der Neben-Abtast-Querschnittsebene sind, D&sub1; bis D&sub4; Abstände zwischen Linsenflächen sind; N&sub1; und N&sub2; Brechungsindices der Linsen bei 780 nm in der Reihenfolge von der Seite des sich drehenden Polygon-Spiegels 5 sind; und B bis D asphärische Koeffizienten in der folgenden Beziehung zwischen der Höhe y und dem Abstand x der Linsenfläche auf der x-y-Ebene sind:
x = y²/R[1 + {1 - (y/R)²}1/2] + By&sup4; + Cy&sup6; + Dy&sup8; + ...
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform des optischen Abtastsystems in der Haupt-Abtast-Querschnittsebene, von dem im folgenden ein numerisches Beispiels gegeben wird. Die sphärische Linse mit positiver Kaft ist aus Glas zusammengesetzt, während die torische Linse mit positiver Kraft aus einem Kunststoffmaterial zusammengesetzt ist.
Die asphärische Fläche der torischen Linse 17, die sich dichter an der sphärischen Linse 16 befindet, ist fast planar in einem Bereich dicht an der optischen Achse gebildet. Die Symbole sind gleich wie in dem vorstehenden numerischen Beispiel definiert.
Brennweite des gesamten Systems 184 mm
Maximaler Abtastwinkel 80º
Ablenkungspunkt - R&sub1;-Ebene 51 mm
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform des dritten optischen Abtastsystems in dem Haupt-Abtast- Querschnittsebene, von der im folgenden ein numerisches Beispiel gegeben wird. Die spärische Linse mit positiver Kraft ist aus Glas zusammengesetzt, während die torische Linse mit positiver Kraft aus einem Kunststoffmaterial zusammengesetzt ist. In der dritten Ausführungsform ist die torische Linse 27 nur in einer Fläche (die sich dichter an der sphärischen Linse 26 befindet) asphärisch.
Brennweite des gesamten Systems 184 mm
Maximaler Abtastwinkel 80º
Ablenkungspunkt - R&sub1;-Ebene 60,1 mm
Wie im vorstehenden erklärt wurde, ist ein optisches Abtastsystem zur Verwendung in einer Abtastvorrichtung für Lichtstrahlen zum Ablenken eines Lichtstrahls durch Ablenkeinrichtungen, wodurch eine Ebene abgetastet wird, und das sich zwischen der Ablenkeinrichtung und der abgetasteten Ebene befindet, gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine sphärischen Linse mit einer positiven Kraft und eine torische Linse aufgebaut, die sich dicht an der sphärischen Linse auf ihrer Seite befindet, die dichter an der abgetasteten Ebene ist, und die positive Kraft sowohl in der Haupt- als auch in der Neben-Abtast-Querschnittsebene hat, bei der mindestens eine Fläche der torischen Linse asphärisch gebildet ist, wodurch hohes optisches Leistungsvermögen erzielt wird, während der eventuelle Flächenneigungsfehler in dem sich drehenden Polygon-Spiegel kompensiert wird. Auch kann das optische Abtastsystem preiswert durch Herstellung der torischen Linse aus einem Kunststoffmaterial erhalten werden.

Claims

1. Optische Abtastsystem zur Verwendung in einer Lichtstrahl- Abtastvorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahls durch Ablenkeinrichtungen (5), wodurch eine Ebene (8) abgetastet wird, und das zwischen der Ablenkeinrichtung und der abgetasteten Ebene anzuordnen ist, umfassend:

eine sphärische Linse (6, 16, 26) mit einer positiven Kraft; und

eine torische Linse (7, 17, 27), die sich nahe der sphärischen Linse an deren Seite, die dichter an der abgetasteten Ebene liegt, befindet und positive Kraft sowohl in der Haupt- als auch der Neben-Abtastguerschnittsebene hat, dadurch gekennzeichnet, daß

mindestens eine der Flächen der torischen Linse in der Haupt- Abtastguerschnittsebene asphärisch ist; und daß sie den folgenden Beziehungen genügt

0,1 < fa/f2a < 0,3;

0,25 < f2b/fa < 0,5;

0,6 < l/fa < 1;

0 < dmax/f2b < 0,15,

wobei f2a die Brennweite der torischen Linse in der Haupt- Abtastguerschnittsebene ist, fa die zusammengesetzte Brennweite der sphärischen und torischen Linsen in der Ebene ist, f2b die Brennweite der torischen Linse in der Neben- Abtastguerschnittsebene ist, l der Abstand zwischen der torischen Linse und der abgetasteten Ebene ist und dmax die maximale Dicke der torischen Linse in der Richtung der optischen Achse ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse in ihrer Oberfläche, die dichter an der Ablenkeinrichtung liegt, annähernd planar ist und in ihrer Oberfläche, die dichter an der abgetasteten Ebene liegt, konvex zu der abgetasteten Ebene ist.

3. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die torische Linse eine konzentrische Form hat, wobei die Mittelpunkte der Krümmungsradien an ihre Seite nahe der Ablenkeinrichtung liegen.

4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die torische Linse aus einem Kunststoffmaterial zusammengesetzt ist

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen der torischen Linse asphärisch sind.

6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Oberfläche der torischen Linse, die der sphärischen Linse gegenübersteht, asphärisch ist.

7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse aus einem Glasmaterial hergestellt ist und die torische Linse aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist.

8. Optisches Abtastsystem, umfassend: eine Lichtquelleneinheit (1); und eine Licht-Ablenkeinrichtung (5) zum Ablenken eines Lichtstrahls von der Lichtquelleneinheit, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Führen des von der Licht-Ablenkeinrichtung abgelenkten Lichtstrahls zu einer abzutastenden Oberfläche (8) umfaßt.

9. Laserstrahldrucker, umfassend: eine Lichtquelleneinheit (1); eine Licht-Ablenkeinrichtung (5) zum Ablenken eines Lichtstrahls von der Lichtquelleneinheit; und ein Aufzeichnungsmaterial (8); dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Führen des von der Licht-Ablenkeinrichtung abgelenkten Lichtstrahls zu dem Aufzeichnungsmaterial umfaßt.