DE69212579T2

DE69212579T2 - Optische Vorrichtung eines Laser-Abtastgerätes zur Verringerung thermischer Empfindlichkeit

Info

Publication number: DE69212579T2
Application number: DE69212579T
Authority: DE
Inventors: Michael Edward C O Ea Harrigan; David Kessler
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1992-11-28
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2012-11-29
Also published as: JPH0688944A; DE69212579D1; EP0546404B1; EP0546404A1; JP3396499B2

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Laserabbildungssysteme und insbesondere auf eine optische Konstruktion eines Laserdiodenscanners mit reduzierter thermischer Empfindlichkeit.
Die Verwendung von Laserdioden in digitalen Druckern oder Scannern erfordert oft ein optisches System, das vom Laser zum Schreibmedium eine starke Vergrößerung aufweist. Der lichtabstrahlende Bereich von Laserdioden ist normalerweise nicht kreisförmig sondern eher elliptisch oder rechteckig. Das kleinste Abmaß beträgt oft 0,5 - 2 µm, das größte oft 2 bis 6 µm. Bei einem Laserdrucker wird dieser Punkt auf ein Pixel auf einem lichtempfindlichen Medium abgebildet. Die Abmessungen dieses Pixels betragen oft zwischen 40 und 160 µm, so daß eine 20- bis 100fache Vergrößerung im optischen System nicht ungewöhnlich ist.
Wenn sich die Lage der Objektfläche zur optischen Achse eines herkömmlichen optischen Systems um einen kleinen Betrag verschiebt, verschiebt sich bekanntermaßen auch die Bildebene entlang der optischen Achse um das Quadrat der transversalen Vergrößerung mal der Objektverschiebung. Bei einer Vergößerung von 40 erzeugt eine Objekt- oder Laserverschiebung von 1 µm eine Brennebenenverschiebung des Bildpixels von 1,6 mm. Da das verschobene Pixel nicht mehr fokussiert ist, weist auch dessen Abbildung auf dem lichtempfindlichen Medium eine andere Größe auf. Größenänderungen des Bildpixels können in einem digitalen Bild zu unerwünschten Artefakten führen. Aufgrund von Temperaturänderungen und der dadurch bedingten thermischen Ausdehnung und Kontraktion kann sich der Raum zwischen dem Laser und der ersten Zeilenkomponente eines digitalen Druckers um mehrere µm ändern.
Wie in US-A-4,948,221 gezeigt, besteht eine gängige Praxis zur Linderung dieses Problems darin, einen athermischen Kopf für die Laserdiode zu entwickeln, der den Laser bei Temperaturänderungen im Brennpunkt der Kollimatorlinse hält. Erreicht wird dies mit Hilfe verschiedenartiger Materialien, so daß die Lage des Lasers hinsichtlich der Kollimatorlinse auch bei Temperaturänderungen beibehalten wird, damit sich die "Objektentfernung" des optischen Systems nicht ändert.
Wie in der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung 0323850 beschrieben, besteht ein anderes Verfahren darin, die Bildpixelverschiebung aktiv zu kompensieren, indem dessen Bewegung gemessen und daraufhin eine Linsenposition aktiv eingestellt wird, um diese Bewegung auszugleichen.
Andere relevante Patente lösen das Problem der thermischen Empfindlichkeit nicht. So wird in US-A-4,818,049 ein Laserabbildungssystem beschrieben, das "scheinbar" kollimiertes Licht in der Bildebene nutzt. "Scheinbar" kollimiertes Licht ist als technische Definition nicht bekannt, bezieht sich wahrscheinlich aber auf Licht, das aus einer Linse austritt, die in ihrem Brennpunkt einen verlängerten Ursprung aufweist. Dieses Patent 4,818,049 bezieht sich hauptsächlich auf das Problem der Übertragung von Laserlicht über größere Entfernungen. US-A-4,621,890 beschreibt ein Lasersystem, das das Problem der im Laufe der Zeit auftretenden Laserstrahl-Emissionswinkelveränderung löst. Das Patent beschreibt einen Gaslaser, der einen stark kollimierten Strahl erzeugt. Es bezieht sich nicht auf das Problem der thermischen Verschiebung einer Laserdiode. US-A-4,915,484, US-A-4,917,483 und US-A- 4,998,790 beschreiben Laserscanner, die divergierende Laser mit Kollimatoren einsetzen, ohne daß eine Lösung für das Problem der thermischen Empfindlichkeit genannt wird.
Erfindungsgemäß wird ein Laserscanner nach Anspruch 1 bereitgestellt, in dem die Pixelgröße eines Laserstrahls in der Bildebene trotz der thermischen Verschiebung der Laserdiode konstant gehalten wird. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat ein optisches System für eine Laserdiode eine zweite Brennebene, die sich auf der Bildempfangsebene des Laserabbildungssystems befindet. Erfindungsgemäß wird ein Laserscanner vorgesehen, der ein optisches System von der Laserdiode bis zur Bildebene aufweist, dessen erste Brennebene an der Laserdiode liegt.
In diesem Fall wird das das Bildpixel formende Licht in dem Bildraum kollimiert. Der Laserstrahl-Pixeldurchmesser e&supmin;² ist von der Bewegung der Laserdiode unabhängig.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Laserdioden-Abbildungssystems.
Fig. 2 u. 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Figuren wird ein Laserscanner beschrieben, bei dem die Pixelgröße in der Bildebene konstant gehalten wird, indem ein optisches System genutzt wird, dessen zweite Brennebene in der Bildebene liegt. Es wird ein Pixel mit konstanter Größe erzeugt, obwohl sich die Lage der Laserdiode hinsichtlich der ersten optischen Linse aufgrund thermischer Expansion oder Kontraktion verschiebt.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Laserscanners. Laserdiode 1 erzeugt einen divergierenden Laserstrahl, der von der ersten Kollimatorlinse 2 kollimiert wird. Der kollimierte Strahl wird durch Linse 3 fokussiert und wieder durch die konvergierende Linse 4 auf dem optischen Abtaster 5 abgebildet. Abtaster 5 kann ein rotierender Polygonspiegel mit mehreren Facetten sein, ein oszillierender Spiegel oder ein holografisches Ablenkelement. Die zweite Kollimatorlinse 6 kollimiert den von Abtaster 5 reflektierten Laserstrahl auf einen Strahl 7, der in Bildebene 8, die sich in der zweiten Brennebene des optischen System befindet, ein Pixel formt, wobei sich die Laserdiode 1 in der ersten Brennebene des optischen Systems befindet. In Bildebene 8 kann sich ein lichtempfindliches Medium in einem Laserdrucker befinden oder ein Informationen aufzeichnendes Medium (Röntgenfilm, Speicherleuchtstoff) in einem Laserscanner. Komponenten 2, 3, 4 und 6 umfassen im allgemeinen mehr als nur ein optisches Element (Linse).
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird gezeigt, wie der Laserstrahldurchmesser unverändert gehalten wird, indem das Bild auf der zweiten Brennebene des optischen Systems positioniert wird. Die Vollinien zeigen einen Gaußschen Laserstrahl, dessen Taille (bei Stärke e&supmin;² die Stelle des kleinsten Abmaßes) sich in der zweiten Brennebene befindet. Die beiden Strichlinien zeigen, was passiert, wenn sich die Taille do' nach links oder rechts verschiebt, weil sich die Laserdiode 1 aufgrund thermischer Kontraktion oder Expansion nach links oder rechts verschiebt. Wie zu sehen ist, ändert sich der Strahldurchmesser d bei e&supmin;² nicht, obwohl die Taille do' kleiner wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird ein Beweis beschrieben, daß die Pixelgröße bei e&supmin;² konstant bleibt, wenn sich die Laserdiode 1 in der ersten Brennebene und die Bildebene 8 in der Nenn- und Hauptbrennebene befindet. Die Pixelgrößenabweichung ist für Fehler in jedem dieser Parameter klein und wird nachfolgend berechnet.

Folgende Definitionen werden benutzt:

ΔZ = Brennebenenverschiebung des Lasers zur ersten Hauptbrennebene
ΔZ' = Brennebenenverschiebung der Bildebene zur zweiten Hauptebene
ω' = Nennradius der Taille bei e&supmin;² des Bildpixels
ωo = Nennradius der Taille bei e&supmin;² des Lasers
ω" = Tatsächlicher Radius bei e&supmin;² des Bildpixels, wenn beide Brennebenen-Verschiebefehler vorhanden sind.
Δy sei die Änderung in Divergenzstrahlhöhe auf der Kollimatorlinse, wenn sich der Laser um ΔZ verschiebt. Wenn der Laserdivergenzwinkel bei e&supmin;² uo ist, dann ist Δy = Δzuo, wie in der Abbildung gezeigt. sei die Änderung in der Taillenhöhe des Strahls bei einer Bildverschiebung um ΔZ'. Da der Winkel des Taillenstrahls zum Bild ωo/f beträgt (f ist die Brennweite des gesamten optischen Systems), ist = ΔZ' ωo/f.
Aus der Abbildung ist folgendes ersichtlich:
Aus der Abbildung ist zudem ersichtlich,daß s' = , tanα = Δzuo/ωo. Unter Ersetzung von ergibt sich:
Der Nennpixel-Taillenradius ω' wird gegeben durch fuo, so daß s' unter Einsatz von ω' anstatt von uo wie folgt geschrieben werden kann:
Unter Ersetzung von im Wurzelausdruck und bei der Zerlegung nach ω' ergibt sich:
Die Menge ωo/uo ist der Rayleighsche Abstand, ZR, der der Kennwert des Lasers ist.
Die Gleichung kann demnach folgendermaßen geschrieben werden:
Um eine Vorstellung über die thermische Unempfindlichkeit zu erlangen, soll der Laser folgende Kennziffern aufweisen:
uo=0,489 rad, ωo=0,000435 mm, so daß ZR=0,00178 mm ist. Wenn ω'=0,06 mm ist, dann muß f 0,123 mm sein. Wenn sich der Laser 0,005 mm verschiebt und das Bild 0,25 mm von der Taille befindet, nimmt der Wert von ω" um 8,3% ab oder zu, je nachdem, ob ΔZ'ΔZ positiv oder negativ ist. Diese Laserverschiebung um 0,005 mm ist 5 mal größer als das, was typischerweise von einem guten Thermokopf gefordert wird. Der Bildebenenfehler von 0,25 mm ist im Vergleich zu den Werten von 0,05 mm, die für Lösungen nach dem Stand der Technik erforderlich sind, toleranter.
Der beschriebene Laserscanner findet in Laserdruckern und Laserabtastsystemen Anwendung. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie die Verwendung von Laserscannern mit höherer Vergrößerung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil besteht in dem Wegfall oder der Vereinfachung der aufwendigen athermischen Laserdiodenbaugruppen.

Claims

1. Laserscanner mit

einer Laserdiode (1) zum Erzeugen eines Laserstrahls,

einem optischen System (2, 3, 4, 6) mit einer optischen Abtastanordnung (5), und

einem lichtempfindlichen oder einem Informationen aufzeichnenden Medium (8), dadurch gekennzeichnet, daß

die Laserdiode (1) an der ersten Hauptbrennebene des optischen Systems (2, 3, 4, 6) und das lichtempfindliche oder das Informationen aufzeichnende Medium (8) an der zweiten Hauptbrennebene des optischen Systems (2, 3, 4, 6) angeordnet ist.

2. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Abtastanordnung (5) in der Nähe einer inneren Brennebene des optischen Systems (2, 3, 4, 6) angeordnet ist.

3. Laserscanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Abtastanordnung (5) ein Polygonscanner mit einer Vielzahl von Facetten ist.

4. Laserscanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Abtastanordnung (5) ein holografisches Ablenkelement mit einer Vielzahl von Facetten ist.