DE69212584T2 - Optischer Scanner und Drucker - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft schnelle optische Abtastsysteme (Scanner) und Drucker, und insbesondere schnelle optische Abtastsysteme (Scanner) und Drucker zur Verwendung für Abbildungen aus geringer Entfernung.
• Für den Einsatz von schnellen optischen Scannern und Druckern gibt es viele Anwendungsbereiche einschließlich kontaktfreies Drucken. Farbabbildungen, Digitalisieren, photomechanisches Setzen, Barcode-Lesen. Inspektionen, Mikroskopie. Photolithographie, Leiterplatten-Herstellung, Halbton- und Farb-Separation. Die Handhabung und Bearbeitung von beim Scannen erhaltenen und in Massenspeichern gespeicherten Digitaldaten und das nachfolgende Ausdrucken auf Film, xerographische und andere Medien bieten viele Anwendungsmöglichkeiten in kommerziellen, industriellen und militärischen Bereichen.
• Die für schnelles Drucken und Scannen verwendeten verschiedenen Verfahren schließen ein rotierendes Polygon, akusto-optische sowie holographische Deflektoren und Galvanometer ein. Seit Kurzem ist das Scannen unter Verwendung linear angeordneter Detektoren in einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) bekannt geworden. Für Druckvorgänge ist das rotierende Polygon der Standard, gegen den die meisten Deflektoren gemessen werden.
• Geschwindigkeit und Qualität der abgetasteten und gedruckten Bilder sind zwei der Scannerindustrie zugrunde liegende wesentliche Durchführungsmeßdaten. Sie sind von einander abhängig, da große Abbildungsgenauigkeit von kleiner Abtastpunktgröße abhängt, welche wiederum mehr Abtastlinien pro Seite bedingt, was die Abtastzeit verlängert. In gedruckten Medien wird die Bildqualität jedoch durch weitere Faktoren bestimmt einschließlich der Zeilenausrichtung, ihrer Wiederholbarkeit sowie der Gleichmäßigkeit von Breite und Abstand der Zeilen oder Linien. Entsprechende Fehler in diesen Parametern können mit bloßem Auge leicht erkannt werden und erfordern deshalb eine Präzisionskontrolle, typischerweise mit 10% der verwendeten Punktgröße (beispielsweise 1 µm für 10 µm Punktgröße).
• Ein weniger auffallender Fehler in der Bildqualität ist die Abbildungsverzerrung. Diese ist von besonderer Bedeutung für Systeme, die eine hohe Positionsgenauigkeit von Punkten in der Abbildung erfordern. Bildverzerrungen treten immer dann auf, wenn der während einer bestimmten Zeit abgetastete Zeilenabschnitt von der abgetasteten Zeile abweicht. Für diesen Fehler gibt es viele verschiedenen Bezeichnungen, u.a. F-Theta-Abweichung, Ansprechfehler, Nichtlinearität und Abtastgeschwindigkeitsfehler.
• Die Bildpunktgröße wird in erster Linie durch die Größe der restlichen optischen Aberrationen des Systems und durch die Wellenlänge des verwendeten Lichtes bestimmt. Kurze Wellenlängen und große relative Öffnung bewirken kleine Punktgrößen. Die relative Öffnungsgröße und die Wellenlänge des verwendeten Lichtes hängen von der Art der Vorrichtung ab einschließlich Format, Druckmedium, Charakteristik der Laserlichtquelle, Systemgröße. Strom- und Fabrikationskosten und verschiedenen anderen Faktoren. Folglich können verschiedene Systeme nicht einfach aufgrund der Punktdichte ("dpi" = Punktezahl pro inch) miteinander verglichen werden.
• Oberhalb einer theoretisch erzielbaren, durch auftretende Aberration bedingten Minimalgröße ist das Anwachsen der Punktgröße jedoch ein wertvoller Maßstab für den Vergleich verschiedener Systeme. In monochromatischen Systemen wird das Anwachsen der Punktgröße vom theoretischen Minimalwert durch die Verbreiterung des zur Abbildung verwendeten Lichtstrahls durch sphärische Aberration, Unschärfe, Astigmatismus. Feldkrümmung und Defokussierung der Abtastung verursacht.
• In Farbsystemen kann das Anwachsen der Punktgröße des weiteren von chromatischen Aberrationen verursacht werden. In der Achsrichtung verursacht die Farbaberration als Funktion der Wellenlänge ein symmetrisches Anwachsen der Punktgröße versus Wellenlänge. Dies wird durch die in unterschiedlichen Brennebenen auftreffenden verschiedenen Wellenlängen verursacht, da die Brennweite der Linse sich mit der Wellenlänge ändert. Abweichend von der Achsrichtung ist die Farbaberration besonders störend, weil der Zuwachs der Punktgröße asymmetrisch und linear in Richtung des Abtastens ist. Dies ist wiederum der Fall, weil die von der Projektionsoptik gelieferte Abbildungsgröße von der Brennweite abhängt und diese ihrerseits von der Wellenlänge.
• Die Geschwindigkeit beim Scannen oder Drucken kann durch eine Reihe von Systemfaktoren begrenzt sein einschließlich der Lichtempfindlichkeit des Druckmediums, der Intensität der Lichtquelle und der Bandbreite der verwendeten Elektronik. Die Scanner- oder Druckergeschwindigkeit wird häufig durch die maximale Geschwindigkeit des den Lichtstrahl ablenkenden Deflektors begrenzt.
• Als Strahldeflektoren üblicherweise benutzte, rotierende Polygonspiegel werden beispielsweise in US-A-5,015,050 und US-A-5,028,103 beschrieben. Ein Grund für die Verwendung von rotierenden Polygonspiegeln ist, daß diese es ermöglichen, mehrere Zeilen pro Umdrehung abzutasten und so die Zeilenabtastgeschwindigkeit zu erhöhen Es können so viele Zeilen pro Unidrehung abgetastet oder gedruckt werden, wie das Polygon Facetten aufweist. Allerdings kann die Zahl der Polygonfacetten nicht erhöht werden, um so eine größere Zeilengeschwindigkeit zu erzielen, ohne daß andere Nachteilen auftreten.
• Die Größe der Polygonfacetten muß ausreichend sein, um den Durchmesser des Eingangs-Abtastlichtstrahls über den gesamten Abtastwinkel aufzunehem. Um das zu erzielen, müssen auch die Abmessungen des Polygons entsprechend groß sein. Große Polygone können jedoch im Hinblick auf den durch die große Oberfläche bedingten Luftwiderstand, nicht ohne Schwierigkeiten mit hoher Rotations-Geschwindigkeit betrieben werden. Zusätzlich stellen die Zentrifugalkraft und die Masse der mitbewegten Luft beträchtliche Belastungen sowohl für die Lager als auch den Antriebsmotor dar. Manchmal werden evakuierte Gehäuse benutzt; diese erfordern aber beträchtlichen zusätzlichen Aufwand und sind nicht sehr zuverlässig. Weiterhin nimmt die Belastung der Lager und die Unwucht mit der Größe des Polygons zu, was seinerseits zu einer verkürzten Lebensdauer der Lager führt.
• Aufgrund der Zentrifugalkräfte tendieren mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit betriebene Polygone auch zur Deformation der Facettenoberfläche, was zu einer Verringerung der Abbildungsgenauigkeit führt. Bei Polygonen können auch Ungenauigkeiten in der Abtastzeilennosition auftreten, die auf Facettenwinkelfehler zurückzuführen sind. Im Idealfall soll jede abgetastete Zeile die vorhergehende genau überlappen. Wird dann das Medium mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, so ist das Ergebnis parallele Zeilen in gleichmäßigen Abständen voneinander und ein gleichmäßiger vertikaler Rand. Fehler in den Polygonfacetten bewirken jedoch Abweichungen im Bezug auf Zeilen-Parallelität, -abstand und -anfangsposition.
• Fehler im Facettenkeil verursachen Abweichungen im Bezug auf die Abtastebene und beeinträchtigen somit den Zeilenbeginn. Häufig kann dieser Fehler mit einem Zeilenanfangs-Photodetektor und geeigneten Synchronisierungs-Schaltkreisen elektronisch kompensiert werden.
• Vor der Einführung zylindrischer und toroidaler Projektionsoptiken waren Facettenpyramiden-Fehler, die Zeilenabweichungen in der Querabtastrichtung bewirken, ein beträchtliches Hindernis beim Versuch, gute Abtastergebnisse zu erzielen. Zylindrische und toroidale Projektionsoptiken gestatten jedoch gute Zeilenwiederholbarkeit selbst mit Polygonen, die weite Facettenwinkeltoleranzen aufweisen. Die dazu erforderlichen Linsen sind allerdings sehr schwierig herzustellen, beeinträchtigen die Farbwiedergabe und führen zu ungleichmäßigen Zeilenabständen bedingt durch Brennpunktschwankungen in den tangentialen und sagittalen Brennpunktflächen.
• Um die F-theta Bedingung zu erfüllen, muß eine Projektionslinse mit Verzerrungen mit negativem Vorzeichen in der richtigen Menge und Verteilung zur Kompensation benutzt werden. Dies bedingt eine wesentliche Einschränkung in der Linsenkonstruktion, die weiterhin sphärische Verzerrungen, Unschärfekreis, Astigmatismus und Feldkrümmung kompensieren soll. Um einen hohen Wert der F-theta Korrektur zu erzielen, ist eine komplexe Linsenkonstruktion aus fünf oder mehr Elementen erforderlich. Farbkorrekturen machen zusätzliche Linsenelemente erforderlich und vergrößern weiterhin die Schwierigkeit, eine hohe F-theta Korrektur zu erzielen und gleichzeitig alle anderen Aberrationen ausreichend zu verringern. Für relativ einfache Systeme können F-theta Korrekturabweichungen von 0,3% akzeptiert werden. anspruchsvollere Systeme erfordern jedoch weniger als 0,1%
• Polygon-Scanner sind weiterhin auf einen Abtastwinkel von weniger als 60 Grad begrenzt. Ein großer Abtastwinkel ist wünschenswert, weil damit eine gegebene Zeilenlänge aus kurzer Entfernung abgetastet werden kann. Dies führt zu einer stets angestrebten Verkleinerung der Gesamtgröße der Vorrichtung.
• Der Abtastwirkungsgrad beträgt bei Polygonen etwa 50%. Der Wirkungsgrad eines Arbeitszyklus ist das Verhältnis der "Einschatzeit" zur "verfügbaren Zeit", während der der Scanner druckt oder abtastet. Ein Abtastwirkungsgrad von 50% bedeutet, daß die Hälfte des Lichtes ungenutzt bleibt und, daß die Datenrate doppelt so groß sein muß wie bei einem Wirkungsgrad von 100%. Dies verdoppelt notwendigerweise die elektronische Bandbreitenerfordernis, die ein begrenzender Faktor für das Erzielen höherer Geschwindigkeiten sein kann. Ein Basissystem für einen optischen Scanner wird detailliert in US-A-4,538,181 beschrieben und in Figur 11 gezeigt, sowie in EP-A-123038 betreffend optische Scanner, die im sichtbaren Bereich arbeiten und in der Lage sind, in umgekehrter Richtung zu arbeiten, um ein Abbild aufzeichnen. Die Offenbarung der ganannten Patentschrift wird in vollem Umfang in diese Beschreibung integriert. In der Vorrichung wird die Szene 10 senkrecht mittels eines oszillierenden Rahmenspiegels 20 abgetastet und horizontal mittels beweglicher, auf einer rotierenden Abtastscheibe 30 angebrachter Konkavreflektoren 32. Die Strahlung vom Rahmenspiegel 20 geht durch das Abbildungslinsensystem 24, das die Strahlung auf einen schmalen Bandspiegel 26 fokussiert. Der Bandspiegel 26 ist stationär angeordnet und so geneigt, daß er die Strahlung aufwärts auf einen der Konkavreflektoren 32 auf der Abtastscheibe 30 und dann abwärts in einem kollimierten Strahl vorbei am Bandspiegel 26 reflektiert. Die Konkavreflektoren 32 sind so dimensioniert, daß ihre Brennweite dem Abstand zwischen der Abtastscheibe 30 und dem Bandspiegel 26 entspricht. Der von den Konkavreflektoren 32 ausgehende kollimierte Strahl passiert eine Sammellinse 38, die den Strahl durch die Öffnung einer Sichtfeldblende 39 auf den Detektor 40 fokussiert. Die Öffnung der Sammellinse 38 ist ausreichend groß, um die von den Reflektoren 32 auf der Abtastscheibe 30 reflektierten Strahlen unter allen Arbeitsbedingungen aufzunehmen. Diese Linse ist so bemessen, daß sie die gesamte durch die Sichtfeldblende 39 gelangende Strahlung auf den Strahlungsdetektor 40 fokussiert.
• Der in US-A-4.538.181 beschrieben Scanner leidet allerdings unter schwerwiegenden Mängeln, die ihn für die Verwendung in Zeilendruckern und Scannern ungeeignet machen. Dieser Scanner war für den Betrieb im Infrarot-Bereich bestimmt. Folglich sind alle Linsen, einschließlich der Meniskuslinse, aus einem Material hergestellt, das für Infrarotstrahlung durchlässig, für sichtbares Licht jedoch undurchlässig ist und damit für im sichtbaren Licht betriebene optische Zeilenabtaster und Drucker ungeeignet ist.
• Es wird ebenfalls angemerkt, daß Zeilendrucker Zeilen in einem endlichen Abstand entweder lesen oder schreiben können, d.h., wenn die Bildweite endlich ist. Der Scanner nach US-A-4,538,181 war hingegen für ein Szenenformat entwickelt, das eine im wesentlichen unendliche Bildweite aufweist. Weiterhin hat der das Bildfeld in vertikaler Richtung abtastende oszillierende Spiegel in einem Zeilenabtaster keine Funktion.
• Da des weiteren die Abtastoptik und das Abbild konzentrisch zum Mittelpunkt einer Lochblende sind, ist auch die Abbildoberfläche inhärent konzentrisch und sphärisch, während es hier sehr wünschenswert ist, daß die Abbildfläche eben ist. Für weit entfernte Bilder, wie sie typisch für Wärmeabbildungen sind, ist der Radius der Bildsphäre ausreichend groß, damit die Schärfentiefe ausreicht, um gleichzeitig relativ nahe und ferne Bildpunkte scharf abzubilden. Für sehr nahe, flache Bilder wie beispielsweise eine Filmplatte oder eine Linie analog einer rotierenden Trommel ist die Feldverzerrung unzulässig groß.
• Es besteht daher ein Bedarf nach einem Hochgeschwindigkeits-Sanner und Drucker, der verbesserte Leistungen im Bezug auf Bildpunktgröße, Bildpunktgleichmäßigkeit, farbgetreue Abbildung, Wiederholbarkeit der Zeilenposition, Erfüllung der F-Theta Bedingung, Zeilenabtastgeschwindigkeit. größeren Abtastwinkel und Abtastwirkungsgrad zuläßt.
• In Anbetracht des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen optischen Scanner und Drucker für den Nahbereich herzustellen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Bildqualität im Vergleich zu bekannten Scanner- und Druckersystemen zu liefern, insbesondere im Hinblick auf geringe F-Theta Abweichungen, ebenes Bildfeld und Gleichmäßigkeit von Punktgröße und -form über den gesamtem abgetasteten Bereich.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Scanner und Drucker geringerer Größe und niedrigerer Herstellkosten durch die Verwendung von Spiegeln anstelle von Linsen herzustellen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Scanner herzustellen, der eine höhere Daten-Übertragungsgeschwindigkeit dank des Einsatzes einer aerodynamischen Hochgeschwindigkeits-Abtastscheibe liefert.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen optischen Scanner herzustellen, der dank seines höheren Abtastwirkungsgrades mit reduzierter elektronischer Bandbreite arbeitet.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen optischen Scanner herzustellen, in dem ein Feldspiegel und einen Feldbandspiegel verwendet werden, um so eine hohe optische Abbildungsgenauigkeit für Bilder im Nahbereich zu erzielen, und der eine Einrichtung zur Bildaufzeichnung aufweist.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein vollkommen reflektierendes optisches System herzustellen, welches alle chromatischen Aberrationen eliminiert und mit dem im UV-, im sichtbaren Bereich, im IR-Bereich ebenso wie im Millimeterbereich des elektromagnetischen Spektrums gearbeitet werden kann.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen optischen Scanner und Drucker herzustellen, der leicht an verschiedene Herstellkonzepte und Konfigurationen angepaßt werden kann.
• Diese erfindungsgemäßen Aufgaben werden, wie in den nachfolgenden Ansdrüchen beschrieben, realisiert.
• Eine optische Abtastvorrichtung entsprechend der Erfindung enthält eine Lichtquelle, eine rotierende Abtastscheibe mit einer kreisförmigen Anordnung konkaver Reflektoren auf einer ihrer planen Oberflächen, die so angeordnet ist, daß das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht jeweils von mindestens einem der genannten konkaven Reflektoren aufgefangen wird; einen Bandspiegel, der sich in Richtung des Abtastweges der konkaven Reflektoren erstreckt und in einem der Brennweite der konkaven Reflektoren entsprechenden Abstand angeordnet ist, und die gekennzeichnet ist durch einen Primär-Abbildungsspiegel, der so angeordnet ist, daß er ein Abbild des vom genannten Bandspiegel empfangenen Lichts in einer Abbildungsebene erzeugt; und durch einen asphärischen Feldspiegel zur Korrektur der Feldkrümmung, der benachbart zur Abbildungsebene angeordnet ist.
• In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung einen optischen Zeilendrucker, der eine optische Abtastvorrichtung, wie oben definiert, aufweist und einen "pick-off"-Spiegel, der das vom Feldspiegel empfangene Licht auf die Abbildungsebene leitet.
• In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung einen optischen Zeilenabtaster zum Abtasten eines Objektes in einer Objektebene, der einen Primär-Abbildungsspiegel enthält, der so angeordnet ist, daß er Licht auf einen Bandspiegel fokussiert, eine rotierende Abtastscheibe mit einer kreisförmigen Anordnung konkaver Reflektoren auf einer ihrer planen Oberflächen, die in einem der Brennweite der konkaven Reflektoren entsprechenden Abstand vom Bandspiegel angeordnet ist, und einen Detektor geeignet zum Auffangen des von den konkaven Reflektoren reflektierten Lichts, und der gekennzeichnet ist durch einen asphärischen Feldspiegel zur Korrektur der Feldkrümmung, der benachbart zu einer Abbildungsebene angeordnet ist. und durch einen "pick-off"-Spiegel, zum Umlenken des von der Abbildungsebene empfangenen Lichts auf den Feldspiegel.
• Ein optischer Scanner und Drucker entsprechend der Erfindung enthält eine Abtastscheibe mit sphärischen konkaven Reflektoren. Benachbart zur Abtastscheibe und im optischen Weg sind eine Korrekturlinse, ein Bandspiegel und ein Primärspiegel angeordnet. Benachbart zur Abbildungsebene im optischen Weg befinden sich ein Feldspiegel und ein "pick-off"-Spiegel.
• Bei der Verwendung als Drucker wird kollimiertes Laserlicht, das den Bereich des Bandspiegels überspannt, dem Scanner zugeführt und auf eine Abtastscheibe senkrecht zur Rotationsebene gerichtet. Wenn einer der sphärischen Konkavreflektoren auf der rotierenden Scheibe zentral über einem Ende des Bandspiegels steht, wird das eingehende Licht fokussiert und mittels des Bandspiegels auf den Primärspiegel umgelenkt. Der Primärspiegel erzeugt ein entferntes vergrößertes Abbild des Lichtflecks nach dem Durchgang durch die Korrekturlinse. Die Korrekturlinse kann eine konzentrische Meniskuslinse sein, die auf jeder Seite der Lochblende angeordnet sein kann (beispielsweise im Krümmungsmittelpunkt des Primärspiegels) oder auf beiden, abhängig von der wirksamen "f"-Nummer am Bandspiegel und der erforderlichen Packungsanordnung der Einzelteile der Vorrichtung. Der Äbbildungsstrahlengang wird unterbrochen durch einen Feldspiegel, der seinerseits ein endgültiges leicht verkleinertes Abbild des Lichtflecks erzeugt. Dieses Abbild wird aus dem einfallenden Strahl mittels eines dünnen "pick- off"-Spiegels aufgenommen, der das Licht um 90º umlenkt und damit einen Zugriff ermöglicht.
• Bei der Verwendung als Scanner wird das Licht, das von einem Bild ausgeht, von einem dünnen "pick-off"-Spiegel aufgenommen, der es um 90º ablenkt und auf einen Feldspiegel richtet. Der Feldspiegel entwirft ein entferntes, vergrößertes Bild nach dem Durchgang durch eine Korrekturlinse und eine Lochblende. Der Abbildungsstrahlengang wird unterbrochen durch einen Primärspiegel, der das Licht auf einen Bandspiegel fokussiert, der so geneigt ist, daß das Licht auf die Konkavreflektoren der Abtastscheibe rereflektiert wird. Das Licht wird dann in einem kollimierten Strahl abwärts, am Bandspiegel vorbei, mittels einer Sammeloptik auf einen Detektor fokussiert.
• Der optische Scanner und Drucker entsprechend der Erfindung hat inhärente Eigenschaften, die zu einer gegenüber mit Polygonen ausgestatteten oder anderen Geräten wesentlich verbesserten Leistung führen. Gleichzeiiig ist er wesentlich kleiner und weist geringere Herstellungskosten auf Weiterhin kann seine Konfiguration ohne Schwierigkeit an eine Verwendung in neuartigen Scanner-Produkten adaptiert werden, die durch Charakteristiken gekennzeichnet sind, die weit über das hinausgehen, was mit konventionellen Zeilenabtastern und Drucken erzielbar ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die beiliegenden Zeichnungen stellen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundzüge der Erfindung zu erläutern.
• Figur 1A ist eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen optischen Druckers.
• Fig.1B ist eine detaillierte Aufsicht des "pick-off"-Spiegels des optischen Druckers.
• Fig. 1C ist eine detaillierte Aufsicht des Streifenspiegels des optischen Druckers.
• Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den optischen Drucker aus Figur 1A.
• Fig. 3A ist eine Aufsicht des erfindungsgemäßen optischen Druckers.
• Fig. 3B ist eine detaillierte Aufsicht des "pick-off"Spiegels des optischen Druckers.
• Fig 3C ist eine detaillierte Aufsicht des Streifenspiegels des optischen Druckers.
• Fig.4 ist eine Darstellung der Lichtstrahl-Abdeckung im optischen Scanner und Drucker.
• Figuren 5A-5E sind Darstellungen der Strahlenaberrationen für den optischen Scanner und Drucker.
• Figuren 6A-6E sind Darstellungen der Wegunterschiede für den optischen Scanner und Drucker.
• Fig. 7 ist eine Darstellung der F-theta Abweichung für den optischen Scanner und Drucker.
• Fig. 8 ist die Darstellung der Iso-Intensität eines Flecks für den optischen Scanner und Drucker.
• Fig. 9 ist die Darstellung der Strahlungsenergieverteilung des optischen Scanners und Druckers.
• Fig. 10 stellt eine alternative Ausführungsform der Abtastscheibe und des Streifenspiegels entsprechend der Erfindung dar.
• Fig. 11 ist ein Scanner entsprechend US-A-4,538,181.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Das hier beschriebene, erfindungsgemäße optische System kann sowohl als Zeilenabtaster als auch als Zeilendrucker verwendet werden. Jede dieser Anwendungen wird nachstehend besprochen.
• Das erfindungsgemäße optische System kann in Verbindung mit einer beweglichen Bildebene bekannter Art verwendet werden. Beim Scanner kann ein beweglicher Scannertisch als Auflage für das abzutastende Bild dienen. Lineare Abschnitte des Bildes werden aufeinanderfolgend abgetastet, während sich der Scannertisch unter einer Lichtquelle bewegt. Ähnlich ermöglicht der bewegliche Scannertisch beim Drucker, linienförmige Segmente (Zeilen) eines Bildes zu drucken. Eine Ausführungsform eines solchen beweglichen Scannertisches ist in US-A-4,889,214 beschrieben. Für den Fachmann versteht es sich von selbst, daß auch andere Vorrichtungen, wie eine rotierende Trommel, zusammen mit der hier beschriebenen optischen Einrichtung benutzt werden können, oder die einzelnen, abzutastenden Zeilen zu bewegen, während das Bild stationär bleibt.
• Ein erfindungsgemäßer optischer Drucker ist in den Figuren 1A-1C und 2 dargestellt. Er weist eine Abtastscheibe 42 mit sphärischen konkaven Reflektoren 44 auf. Benachbart zur Abtastscheibe 42 sind die Korrekturlinse (Meniskus) 46, der Streifenspiegel 48 und der Primärspiegel 50 angeordnet. Benachbart zur Abbildungsebene 56 befinden sich im optischen Weg der Feldspiegel 52 und der "pick-off"Spiegel 54.
• Wie aus den Figuren IA-lC ersichtlich, sind die Korrekturlinse 46, der Streifenspiegel 48 und ein Konkavreflektor 44 so angeordnet, daß der Streifenspiegel 48 im Bezug auf die Konkavreflektoren und die Korrekturlinse zentriert ist. Linsensysteme dieser Art sind unter dem Namen Bouwers- Maksutov-Systeme bekannt und werden von Kingslake in "Lens Design Fundamentals", Academic Press, 1978, Seiten 311-313 beschrieben.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird kollimiertes Laserlicht verwendet, das von einer Laser-Kollimieroptik (nicht dargestellt) geliefert wird. Die Laserlichtquelle ist normalerweise entweder ein Gas-Laser, der im sichtbaren Bereich arbeitet, oder ein Feststofflaser, der im Infrarotspektrum arbeitet. In beiden Fällen werden Optiken verwendet, um den Strahl aufzufächern und für die Eingabe in den Scanner geeignet zu machen. Um die geeignete Strahlenform zu erzielen können anamorphe Optiken verwendet werden, die eher eine elliptische statt einer kreisförmigen Form aufweisen. Das kollimierte Licht von einem Laser oder einer weit entfernten punktförmigen Lichtquelle wird auf die Abtastscheibe 42 senkrecht zur Rotationsebene gerichtet und überdeckt den vom Streifenspiegel 48 umspannten und vom Konkavreflektor 44 gekreuzten Bereich. Wenn einer der Konkavreflektoren 44 auf der Abtastscheibe 42 über einem Ende des Streifenspiegels 48 zentriert ist, wird der Lichtstrahl dort fokussiert. Das fokussierte Licht wird mittels der Streifenspiegels 48 zum Primärspiegel 50 umgelenkt. Der Primärspiegel 50 entwirft ein fernes, vergrößertes Bild des Lichtflecks nach der Passage durch die Lochblende 49 und die Korrekturlinse 46. Dieses Bild 26 wird von einem Feldspiegel 52 aufgefangen, der seinerseits ein fertiges, etwas verkleinertes Bild des Lichtflecks liefert. Dieses Bild wird aus dem einfallenden Lichtstrahl mittels eines dünnen "pick-off"-Spiegels 54 ausgesondert, der den Lichtstrahl, um 90 umgelenkt, auf die Druckebene 56 richtet und so den Zugang zum Bild ermöglicht. Für den Fachmann ist es klar, daß anderen Vorrichtungen (z.B. ein herkömlicher Strahlenteiler), je nach den gestellten Anforderungen, zum Aussondern des Bildes aus dem einfallenden Lichtstrahl dienen können.
• Ein der Erfindung entsprechender optischer Scanner wird in den Figuren 3A-3C dargestellt. Jene Bauteile, die die gleichen sind wie für den oben beschriebenen optischen Drucker, sind mit entsprechend gleichen Referenznummern bezeichnet. Die Abtastscheibe 42 hat Vertiefungen 44. Benachbart zur Abtastschreibe sind die Korrekturlinse 46, der Streifenspiegel 48 und der Primärspiegel 50 angeordnet. Benachbart zur Bildebene 56 befinden sich im optischen Weg Feldspiegel 52 und "pick-off"-Spiegel 54. Ein Filmdiapositiv 55 kann beispielsweise auf die durchsichtige Platte 57 gelegt, die von der Lichtquelle 59 beleuchtet wird.
• Nach der Erfindung wird der vom Filmdiapositiv 55 ausgehende Lichtstrahl vom dünnen "pick-off"-Spiegel um 90º versetzt zum Feldspiegel 52 umgelenkt. Dieser und die Korrekturlinse 46 formen ein verkleinertes Bild der abgetasteten Zeile. Dieses Bild wird vom Primärspiegel 50 aufgefangen und weiter verkleinert. Der Primärspiegel 50 fokussiert den aufgefangenen Lichtstrahl auf den Bandspiegel 48, der schräg angeordnet ist um den Lichtstrahl auf die konkaven Reflektoren 44 der Abtastscheibe 42 zu richten. Licht wird zunächst aufwärts vom Bandspiegel 48 in einen der konkaven Reflektoren 44 und sodann, abwärts, den Bandspiegel 48 passierend, als Parallelstrahl reflektiert. Der von einem der konkaven Reflektoren 44 ausgehende Parallelstrahl geht durch eine Sammeloptik 65 (beispielsweise eine Linse oder ein konkaver Spiegel), die den Strahl durch eine Lochblende 63 auf den Detektor 61 fokussiert.
• Die Art des verwendeten Detektors hängt von der Art der Strahlung ab und kann beispielsweise ein im sichtbaren Bereich arbeitender photoelektrischer Detektor sein. Zusätzlich kann das System multispektral ausgelegt sein, wobei Detektoren verschiedener Art simultan verschiedene Strahlungsarten verarbeiten.
• Das optische System nach der Erfindung, ob es im Zeilenscanner- oder Zeilendrucker-Modus benutzt wird, ist im wesentlichen beugungslimitiert, d.h. die Punktgröße wird bestimmt von der relativen Öffnung des Systems und der Wellenlänge des verwendeten Lichtes:
• d = 2.44 λ F
• worin d = der Punktdurchmesser am ersten Ring einer Airy disc : λ = die Wellenlänge des Lichts; F = die f-Nummer der das Bild formenden Opti ken sind.
• Dies setzt eine einfallende Strahlung von konstanter Intensität über die Eingangsöffnung voraus. In einem Laserdrucker, in dem die Lichtstrahlung einer Gaußschen Verteilung entspricht und von der Öffnung der Eingangsoptik auf 1/e² Intensität begrenzt ist, ergibt sich für die Punktgröße:
• d = 1.83 λ F
• worin d der Punktdurchmesser bei Intensitätswert von 13.5% ist. Ohne Begrenzung des Gaußschen Eingangsstrahls ist der Punktdurchmesser bei jedem Intensitätswert breiter als eine Airy Disc (der helle Zentralbereich eines Streuungsmusters einer Linse von einer fernen Punktquelle) bei jenem relativen Intensitätswerten. Die Gaußsche Punktgröße nähert sich einer Airy Disc, wenn die Begrenzung einem Intensitätswert von 50% entspricht. Daher kann die Punktgröße zwar verringert werden, jedoch nur auf Kosten von Lichtverlust.
• Es ist anzumerken, daß "Punkt"größe oder "Pixel"größe ein mehrdeutiger Begriff ist. Um diesem eine Bedeutung zu geben, muß der Intensitätswert innerhalb der Gaußschen Verteilung angegeben werden. Der 1/e² Wert wird in der Regel benutzt und ist auch hier verwendet.
• Sowohl Scanner als auch Drucker verlangen hohe Zeilen-Wiederholbarkeit und -Gleichförmigkeit. Die Zeilen-Wiederholbarkeit hängt im Wesentlichen von der Fertigungsgenauigkeit und der Ausrichtung der Bauelemente des Scanners oder Druckers ab. Ein Vorzug des hier beschriebenen Konzepts ist, daß es sich Dositiv auf die Herstell- und Abgleichpräzision, einschließlich der dafür erforderlichen Verfahren und Werkzeuge auswirkt, und damit die Kosten für die gewünschte Wiederholbarkeit verringert.
• Die Gleichförmigkeit der Zeilenbreite hängt sowohl von der Konstruktion als auch vom Herstellvorgang ab. Punktgrößen und Intensitätsunterschiede entlang der Zeile führen zu Schwankungen der Zeilenbreite. Dies wiederum führt zu leicht erkennbaren Kopierfehlern, da das bloße Auge die bemerkenswerte Fähigkeit besitzt, Abweichungen von der Parallelität, der Geradheit und dem Zeilenabstand zu erkennen, die oftmals als Moiré-Effekt auftreten. Daher sind Gleichförmigkeit von Punktgröße, -form und -intensität wesentliche Konstruktionsziele. Ausrichtfehler der optischen Komponenten und sonstige Fabrikationsdefekte können gleichfalls zu Ausrichtproblemen führen und müssen durch eine Kombination von Ausrichtkorrekturen und einzuhaltender Fabrikationsgenauigkeit überwacht werden.
• Der optische Scanner und Drucker der Erfindung benutzt einen konkaven, sphärischen Spiegel, der konzentrisch um eine Öffnungsblende angeordnet ist. Wenn, wie im Falle eines Druckers, der Bildabstand endlich ist, dann wird die Bildfläche sphärisch. Der Bildradius (der axiale Abstand vom Mittelpunkt der Wölbung des Primärspiegels zur Bildfeldebene, bevor der Feldspiegel eingeführt wird) ist proportional zum Spiegelradius und eine Funktion der vom Spiegel bewirkten Vergroßerung:
• Ri = Rm/² . 1-m/m
• worin Ri = der Bildradius; Rm = der Spiegelradius; m = die Vergrößerung sind.
• Die Bildwölbung bei geringem Abstand der Bildfeldebene wird vorteilhafterweise durch Einführen einer optischen Komponente kompensiert, die die gleiche Bildwölbung, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, bewirkt. Das optische System bildet dann auf einer ebenen Fläche im Nahbereich ab. Nach der Erfindung ist ein geeignetes optisches Element hierfür ein hyperbolischer, konkaver Feldspiegel 52 (Fig. 1A). Der erforderliche Radius Rf des Feldspiegels 52 ist gleich dem doppelten Bildradius:
• Rf = 2 Ri
• Ist der Feldspiegel in der Bildebene angeordnet, ist sein negativer Einfluß auf die Bildqualität, abgesehen von der Feldkrümmung, unbedeutend. Damit bewirkt der Feldspiegel ein flaches Feld und bewahrt dabei die ursprüngliche Bildqualität. In der Praxis ist es erforderlich, den Feldspiegel axial um einen geringen Betrag von dieser Position versetzt anzuordnen, um eine maximale Einebnung des Abbildes zu erzielen. Dieser Betrag muß mindestens gleich der Sagittalentfernung von der Tangentenebene zum Spiegel am Einfalsort des Hauptstrahls ein. Dies erlaubt den Aufbau eines realen (im Gegensatz zu einem virtuellen) und damit zugänglichen Abbilds über das gesamte Bild.
• Scanner- und Drucker-Systeme erfordern, daß die Optik der F-theta Bedingung genügt. Dies bedeutet, daß die Länge der Abtastlinie an allen Punkten entlang der Abtastlinie proportional zum Abtastwinkel ist. Ein auf eine sphärische Ebene abbildender Scanner genügt exakt dieser Bedingung:
• worin y = die Bildlänge gemessen auf der sphärischen Oberfläche; Ri = der Bildradius und α = der Abtastwinkel sind.
• Sowohl für Zeilendrucker als auch für Zeilenabtaster muß jedoch das Bild auf einer ebenen Fläche abgebildet bzw. das Bild auf einer solchen abgetastet werden. Die Einführung von optischen Komponenten, die dies ohne Verzerrungen bewirken, würde ein Bildhöhe liefern, die proportional zur Tangente des Abtastwinkels und nicht proportional zum Radiantwert des Winkels selbst ist:
• y = Ri tan α
• Dies führt zu einem Abbild, das eine größere Höhe aufweist als jene, die erforderlich ist, um die F-theta Bedingung zu erfüllen. Die Einführung einer negativen, d.h. "Tonnen"-Verzerrung bewirkt, daß die Bildhöhe, wie gewünscht, verringert wird.
• Die Einführung eines Feldspiegels in der Tangentenebene zur Bildsphäre mit einem Wölbungsradius, der dem doppelten Wölbungsradius der Bildsphäre entspricht, um so die Feldwölbung zu kompensieren, führt zugleich zu einer "Tonnen"-Verzerrung dritter Ordnung, einer Größe, die zu einer tatsächlichen Bildhöhe y führt:
• y = Ri tan α [1 - (tan α)² /4]
• Das resultierende System weist des weiteren telozentrische Charakteristik auf, d.h. alle Hauptstrahlen verlassen den Feldspiegel parallel, weil der Brennpunkt des Feldspiegels sich, wie gewünscht, in der Öffnungsblende befindet, dem Punkt, von dem alle Hauptstrahlen auf ihrem Weg zum Feldspiegel ausgehen.
• Telozentrizität ist wünschenswert, da sie konstante Bildfeldbeleuchtung bewirkt und Maßstabfehler eliminiert, die auf sich ändernde Einfalswinkel oder Defokussierung zurückzuführen sind. Ist ein System nominell telozentrisch, dann tritt keine wesentliche Änderung des Einfallswinkels in der Bildebene als Funktion der Feldposition auf, wie dies gewöhnlich der Fall wäre. Folglich treten kein "cos-fourth" oder andere Kosinus-Faktor-Einflüsse auf, die die relative Bildillumination beeinflussen. Die auf die Bildebene auftreffenden Strahlenbündel sind überall im wesentlichen senkrecht und eliminieren den üblichen Kosinus-Faktor, der seinerseits den Abbildungsmaßstab negativ beeinflußt. Falls Defokussierung aufgrund von Ausrichtungsfehlern oder anderen Ursachen auftritt, bleiben die Zentralregionen der Punkte um den gleichen Betrag voneinander entfernt, als wenn perfekte Fokussierung herrscht, so daß die Abbildungsgenauigkeit erhalten bleibt.
• Der Betrag 1 - (tan α)² /4 in der vorangehenden Gleichung ist der Bruchteil, um den die Bildhöhe unter diejenige in einem herkömmlichen optischen System reduziert ist, das frei von Verzerrungen ist. Beispielsweise beträgt die ideale F-theta Bildhöhe bei einem Abtastwinkel von 30º 0.524 Ri, der Wert für gewöhnliche optische System beträgt 0.577 Ri und für den optischen Scanner und Drucker nach der Erfindung ist er 0.529 Ri. Damit errzielt der optische Scanner und Drucker mit Feldspiegel bei einem Abtastwinkel von 30º eine F-theta Bedingung, die nur um 0.5% vom Idealfall abweicht, während die Abweichung bei dem üblichen System mehr als 5% beträgt.
• Die Einführung eines Feldspiegels bewirkt damit gleichzeitig die Korrektur der Bildfeldkrümmung sowie der F-theta Bedingung und liefert einen telozentrischen Bildaufbau. Die vorstehende Diskussion über die Theorie optischer Systeme erster Ordnung und Verzerrungen dritter Ordnung liefert eine theoretische Grundlage für die optische Qualität des erfindungsgemäßen Scanners und Druckers. In einem für die Praxis geeigneten System sollte jedoch der Feldspiegel nicht in der Bildebene liegen. Weiterhin kommen Aberrationen höherer Ordnung erst bei großen Abtastwinkeln zur Wirkung, wodurch sich verschiedene Änderungen im bisher beschriebenen System ergeben können.
• Ein hyperbolischer, konkaver Feldspiegel in der Tangentenebene zur Bildsphäre liefert ein virtuelles Bild einer Vergrößerung von 1:1, das gleichfalls dort angeordnet ist. Um ein reales, erreichbares Bild auf der konkaven Seite zu erhalten, muß der Feldspiegel axial in Richtung zur Lochblende verschoben werden. Der Betrag, um den der Feldspiegel verschoben werden muß, wird so gewählt, daß der Bildabstand, gemessen von der Tangentenebene, mindestens gleich der Sagitta des Feldspiegels am Kreuzungspunkt des Hauptstrahls mit dem größten Abtastwinkel ist. Da das Verschieben des Feldspiegels eine geringfügig verringerte Abbildung bedingt, z.B. 0.9, und der zugeordnete Bildabstand entsprechend verringert ist, muß die erforderliche Verschiebung entsprechend vergrößert werden.
• Die axiale Verschiebung des Feldspiegels bewirkt das Verlassen der telozentrischen Bedingung, da der Abstand von der Lochblende zum Feldspiegel nun geringer ist als die erforderliche Brennweite des Spiegels. Im Sinne von Optiken erster Ordnung ist die Lage der Austrittspupille von ihrer vorherigen Unendlich-Position nähergerückt und befindet sich nun in einem bestimmten Abstand auf der Seite des Feldspiegels, die der Lochblende gegenüberliegt. Die vom Feldspiegel zur Bildebene reflektierten Hauptstrahlen erscheinen damit als von jenem fernen Axialpunkt ausgehend. Der bestimmte Winkel, den diese Strahlen nunmehr haben, zusammen mit dem bestimmten Abstand der Bildebene vom Spiegel und dem Vergrößerungsfaktor des Feldspiegels resultieren in Bildhöhen, die sich von jenen unterscheiden, die sich ergeben, wenn der Feldspiegel sich in der Bildsphären-Tangentenebene befindet. Strahlenwinkel-Steigung und Bildentfernung führen zu einer Vergrößerung und der Vergrößerungsmaßstab zu einer Verkleinerung des Bildes.
• Ein anderer, die Bildhöhe in der Praxis bestimmender Faktor ist die sphärische Aberration höherer Ordnung, welche bei Hauptstrahlen mit großem Einfallswinkel auftritt, wenn sie vom Feldspiegel reflektiert werden. Für einen sphärischen Konkavspiegel werden die Hauptstrahlen vom Feldspiegel unter einem Winkel reflektiert, der zu einem kleineren Bild führt.
• Eine weitere Variable in der Ausführung des Feldspiegels zur Kontrolle der Höhe, in der die Hauptstrahlen auf der Spiegeloberfläche auftreffen. sowie des Winkels der Hauptstrahlen nach der Reflexion, ist die Asphärizität der Oberflächenkontur, d.h. die Abweichung der Oberfläche von einer Sphäre. Das Ausstatten des Feldspiegels mit einer asphärischen Oberfläche hat bei kleinen Abtastwinkeln keinen Einfluß, und wirkt sich zunehmend bei größeren Winkeln aus.
• Die tatsächlichen Werte für Basisradius, axialen Ort und asphärische Koeffizienten des Spiegels für eine spezielle Anwendung können nicht einfach mit analytischen Methoden bestimmt werden. Es gibt keine analytische Lösung, die perfekte Bildfeldeinebnung, F-theta Korrektur und Telozentrizität liefert. Stattdessen müssen die Feldspiegel-Variablen gewählt werden nach dem Ausgleichen der erforderlichen Restaberration für einen bestimmten Abtastwinkel, der Bildkonus-Geschwindigkeit, der Blldzellen-Abtastlänge und der Bildpunktgröße. Dieser Verfahrensschritt wird zweckmäßig mittels Computer und geeignetem optischen Programm, wie CODE V der Optical Research Association aus Pasadena, Kalifornien, durchgeführt.
• Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, erfüllt der Feldspiegel in den optischen Scnnern und Druckern nach der Erfindung drei wesentliche wichtige Funktionen: Feldeinebnung, Telozentrizität, und F-theta Korrektur.
• Es ist offenbar, daß der Bandspiegel 48 im Strahlengang angeordnet ist und damit einen Teil des Lichtstrahls 58 abdeckt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die minimale Abdeckung wird definiert von der Beugungspunktgröße in der vertikalen Richtung und der Bogenlänge des Bandspiegels 48 in der horizontalen Richtung. Die Größe der abgedeckten Fläche beträgt typisch zwischen 5% und 15%. Der Beugungskreisdurchmesser beträgt circa 1.5 micron.
• Die vom Bandspiegel 48 bedingte, totale Abdeckung des Strahlengangs entsteht beim zweimaligen Passieren des Lichts - zum ersten Mal ist der Lichtstrahl 58 auf dem Weg zum konkaven Reflektor 42 teilweise abgedeckt (60), und zum zweiten Mal (62) auf dem Weg vom Primärspiegel 50 zur Korrekturoptik 46.
• Der "pick-off"-Spiegel 54 befindet sich gleichfalls im Strahlengang und führt so zu einer weiteren potentiellen Abdeckung des Lichtstrahls. Ist der "pick-off"-Spiegel 54 dünn genug, um im Schatten des Bandspiegels zu liegen, tritt jedoch keine zusätzliche Abdeckung im Strahlengang auf. Diese Anordnung entspricht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
• Der Prozentsatz der durch den "pick-off"-Spiegel 54 bedingten Abdeckung des Strahls 58 hängt ab von der Geschwindigkeit des das Bild formenden Strahlenkonus. Es zeigt sich des weiteren, daß die Minimalabdeckung gleich des Keilwinkels des Grenzstrahls ist. Beispielsweise entspricht ein F/25 Konus einem Grenzstrahlwinkel von ½ x f-Nummer = 0.02, was eine Abdeckung von 2% bewirkt.
• Die Verringerung der Bildebenen-Beleuchtung ist direkt proportional dem Lichtverlustprozentsatz durch die Strahlabdeckung. Befindet sich ein Hinderniss im Strahlengang, so führt dies auch zu Beugungserscheinungen die bewirken, daß Strahlenenergie sich, vom Kern des Lichtpunkts aus gesehen, nach Außen ausdehnt. Die Größe und Verteilung dieses Ausfächerns hängt von der Größe des Hindernisses und der Kohäsionseigenschaft des Lichtstrahls ab. Aufgrund der relativ geringen Abmessungen der durch den Bandspiegel und den "pick-off"-Spiegel erzeugten Abdeckungen tritt keine ernstzunehmende Verschlechterung im Bezug auf die Energiekonzentration im Lichtpunkt ein.
• Band- und "pick-off"Spiegel funktionieren gleichzeitig als wirksamer Blendungsschutz und tragen auch dazu bei, die Menge unerwünschten Lichts, das die Bildebene erreicht, zu verringern. Dadurch wird Vor- bzw. Nachbelichtung des in der Bildebene angebrachten Mediums verhindert.
• Um zu erreichen, daß ein konkaver Reflektor stets voll mit Strahlung gefüllt ist, während er sich durch den Winkel des Bandspiegels bewegt, ist es erforderlich, ihn mit der Eingangsstrahlung zu überfüllen. Der dadurch bedingte Prozentsatz an Lichtverlust hängt von der Konstruktion des Scanners ab, wobei generell gilt: je weiter der Abtastwinkel, desto geringer der Wirkungsgrad. Die maximale Effizienz wird erreicht, wenn die Eingangsoptik derart gestaltet ist, daß der Querschnitt des Strahles der Hüllkurve entspricht, die vom konkaven Reflektor durchlaufen wird. Die Art der Optik hängt von der Art der Strahlungsquelle ab und wird im Hinblick auf den Abtastpfad in der Regel anamorphisch sein. Für ein 60º System kann ein Wirkungsgrad von ca. 50% erzielt werden. Ersatzweise kann auch ein Abtastsystem mit einem aktiven Strahl mit schneller "flyback"-Zeit fur die Eingangsoptik verwendet werden. In diesem Fall soll der Durchmesser des Eingangsstrahls nicht größer als ein konkaver Reflektor sein. Dies führt allerdings zu einem Kompromiß im Bezug auf den Wirkungsgrad der, typisch, in der Größenordnung von 15% ist.
• Wenn die Öffnungen der konkaven Reflektoren so ausgelegt sind, daß sie zu einem gewissen Grad überlappen, dann definiert die Geometrie der Reflektoren auf der Oberfläche der Abtastscheibe einen Ring von aneinander grenzenden, scharf abgegrenzten, keilartigen Sektoren, während andernfalls eine Reihe von kreisförmigen, konkaven Reflektoröffnungen mit flachen, ungenutzten Zwischenbereichen existiert. Bei überlappenden Reflektoren wird alles eintreffende, kollimierte Licht von jeweils drei Reflektoren fokussiert.
• Der jeweils zentrale konkave Reflektor der Abtastscheibe ist immer vollständig mit Strahlung angefüllt und überträgt das Licht, das schließlich zum Bildaufbau dient. Die benachbarten konkaven Reflektoren, die teilweise mit Licht gefüllt sind, fokussieren immer das nicht benutzte Laserlicht auf einen inaktiven Bereich des Bandspiegels 48 auf beiden Seiten des aktiven Zentralbereichs. Diese Strahlung kann dadurch kontrolliert werden, daß die Seitenbereiche des Bandspiegels 48 außerhalb des aktiven Bereichs mit einem schwarzen, diffusen, absorbierenden Belag versehen werden. Oder es kann die unerwünschte Strahlung erst nach dem Passieren des Feldspiegels 52 in einer Lichtfalle zurückgehalten werden, oder dadurch, daß die inaktiven Enden des Bandspiegels außerhalb des aktiven Bereichs so geformt sind, daß sie die unerwünschte Strahlung direkt in eine Lichtfalle senden.
• Im Idealfall sollte die Intensitätsverteilung des Eingangslichts über den Strahldurchmesser gleichmäßig sein. Die Strahlungsdichte-Verteilung im endgültigen Zeilenbild wird dann ausschließlich von der Geometrie der bildformenden Strahlenbündel in der Bildebene bestimmt. Wenn der Eingangsstrahl nicht gleichmäßig ist, wird eine ähnliche Ungleichmäßigkeit auch im Zeilenbild erscheinen. Nicht gleichmäßige Intensität des Eingangslichts kann auch die Intensitätsverteilung im fokussierten Lichtpunkt beeinflussen.
• Es ist offenbar, daß die oben beschriebenen optischen Bauelemente benutzt werden können unabhängig davon, ob das System ein Scanner oder ein Drucker ist, d.h. ob es ein Lese- oder ein Schreibgerät ist. Der Unterschied zwischen beiden Versionen besteht in der Optik, die Licht entweder in die konkaven Reflektoren 44 der Abtastscheibe 42 leitet, oder von diesen empfängt.
• Der optische Entwurf und die Funktionsdaten für einen optischen Zeilendrucker entsprechend der Erfindung sind wie folgt: TABELLE 1
• Die optischen Konstruktionsdaten für einen Zeilendrucker sind wie folgt: TABELLE 2
• (a) Der Bandspiegel ist ein Sektor eines 90º rechts-zirkularen Kegelschnitts
• (b) Der Feldspiegel ist asphärisch: Kegelschnitt-Koeffizient = 4.6257
• Die optischen Eigenschaften des Zeilendruckers nach den Tabellen 1 und 2 können wie folgt zusammengefaßt werden: Restaberrationen bewirken, daß das Licht vom nur durch Beugung begrenzten Zustand abweicht und sich ausbreitet, womit sich die Auflösung und die Modulationstransferfunktion des Systems verschlechtern. Die schräg verlaufenden Strahlaberrationen bei der Wellenlänge von 632.9 nm sind in den Figuren 5A-5E dargestellt. Diese Strahlaberrations-Graphiken der Figuren 5A-5E wurden mittels des oben erwähnten Computer-Programms CODE V und der Parameter aus Tabelle 2 ermittelt. Die linken und rechten Hälften der Darstellungen zeigen die Aberrationen in der tangentialen und der sagittalen Richtung. Jeder Kurvensatz steht für einen Punkt entlang der Linie vom Zentrum zum Rand, d.h., Halbfeld in 7.5º Schritten. Die Aberrationen, ausgedrückt als optische Wegdifferenz entlang der Wellenfront, sind in den Figuren 6A-6E dargestellt. Eine maximale optische Wegdifferenz von ca. einer Viertel Welle existiert für annähernd alle Punkte im Feld. Dies stellt einen für die meisten Anwendungen vollkommen ausreichenden Korrekturgrad dar.
• Die Abweichung von der F-theta Kondition ist in Fig. 7 dargestellt. Um Unstetigkeiten nicht zu übersehen, wurde eine relative sehr große Zahl von Punkten ausgewertet. Die maximale, Spitze-zu-Spitze Abweichung beträgt 0.012 mm. Wird die Konstruktion geändert, um einen besseren Ausgleich zwischen den Modellparametern zu erzielen, insbesondere im Bezug auf die Feldspiegelkrümmung, die asphärischen Koeffizienten und die Lage, so ergibt sich eine Maximalabweichung von 0.006 mm an den Punkten bei 9º und 21º. Die vorstehenden Graphiken zeigen einen hohen Grad an Gleichförmig-keit in Bezug auf die Punktintensitätsverteilung für Punkte über das ge-samte Feld. Dies ist bildlich dargestellt in den Intensitätsgraphiken in Fig. 3, die den Feldpunkten in den Aberrations-Diagrammen entsprechen. Die gleiche Information ist mengenmäßig in Fig. 9 dargestellt, die die radiale Energieverteilung für die gleichen Feldpunkte zeigt.
• Es zeigt sich, daß der Zeilenabtaster aus den Tabellen 1 und 2 gekennzeichnet ist durch eine sehr hohe Aberrations-Korrektur und Gleichmäßigkeit der Rest-Aberration, sowie einen außergewöhnlich hohen Grad von Korrekturen, um die F-theta Bedingung zu erfüllen. Des weiteren ist das System telozentrisch, was wesentlich zur Gleichmäßigkeit der Punktintensität und dem günstigen Verhalten gegenüber Fokusfehlern beiträgt. Diese Ättribute sind im wesentlichen die Folge des konzentrischen, symmetrischen Aufbaus des optischen Scanners und Druckers und der Verwendung eines Feldspiegels mit geeignetem Radius und asphärischer Form und in der richtigen Position.
• In dem beschriebenen optischen Scanner und Drucker dient eine konzentrische Meniskuslinse zur Korrektur der sphärischen Aberration des Primärspiegels und der konkaven Reflektoren der Abtastscheibe. Ein Problem dieser Ausführung liegt in der Einführung axialer, chromatischer Aberration in die Vorrichtung. Während dies bei mit monochromatischem Licht arbeitenden Laserdruckern ohne Bedeutung ist, ist bei bestimmten Scanner- und Druckersystemen (oder Projektionssystemen) eine komplette Farbkorrektur wünschenswert.
• Als Alternative bietet sich an, die Meniskuslinse zu entfernen und die Korrektur der sphärischen Aberration mit konkaven Reflektoren, die eine hyperbolische asphärische Oberfläche besitzen, zu bewirken. Die Anordnung von Feldspiegel und Primärspiegel ist dann entsprechend angepaßt, um den fokussierenden Effekt der Meniskuslinse zu berücksichtigen. Ansonsten ist das System mit dem eine Meniskuslinse aufweisenden identisch. Als Drucker (oder Projektor) empfängt das System Licht aller Farben in Form kollimierter Strahlenbündel, die genau in der gleichen Brennpunktebene eintreffen. Als Scanner wird Licht aller Farben, das vom Feldspiegel ausgeht, auf die Detektoroberfläche fokussiert. Strahlenteiler können im kollimierten Strahlengang angeordnet werden, um entweder im Scanner- oder Projektionsbetrieb die gleichzeitige Datenerfassung und Datenausgabe zu ermöglichen.
• Die optischen Daten für ein solches optisches System sind nachstehend in Tabelle 3 aufgeführt. Die allgemeinen Anforderungen sind die gleichen wie für das optische System mit Meniskuslinse nach Tabelle 1. TABELLE 3
• (a) Der Konkavreflektor ist asphärisch, Kegelschnitt-Koeffizient = -2.4183
• (b) Der Bandspiegel ist ein Sektor eines 90º recht-zirkularen Kegelschnitts
• (c) Der Feldspiegel ist asphärisch: Kegelschnitt-Koeffizient = 4,3001
• Wie in Fig. 10 dargestellt, kann der Bandspiegel 48 auch mittels der Halteglieder 78 fest mit der Abtastscheibe 42 verbunden werden. Diese Anordnung reduziert im allgemeinen Abtastfehler, die ihre Ursache im Taumeln der Abtastscheibe haben, wenn die Brennweite der konkaven Reflektoren gleich der des Primärspiegels gewählt wird. Solche Fehler waren ein echtes Problem in der Entwicklung von Polygon-Laserstrahldruckern.
• Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, soll dies nicht als Limitierung verstanden werden; Änderungen können im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche gemacht werden, ohne vom wahren Gehalt der Erfindung abzuweichen, wie diese in den Ansprüchen in ihren weiteren Aspekten beansprucht ist.
• Die Funktion des Bandspiegels kann auch mittels anderer, ähnlicher optischer Komponenten erreicht werden. Als Beispiel kann ein üblicher Strahlenteiler in Form einer gespannten Membrane mit einem halb durchlässigen Belag, der das Licht teilweise durchläßt und es teilweise reflektiert, verwendet werden, oder ein üblicher Strahlenteiler-Block aus Glas, Kunststoff oder einem anderen lichtbrechenden Material, wenn Lichtverlust bei der Verwendung nicht von großer Bedeutung ist. In einer anderen Ausführungsform, in der die Wirkungsweise des gespannten, reflektierenden Streifens exakt verdoppelt wird, kann ein reflektierender Streifen in einen Block aus durchlässigem Material eingebettet werden. Dessen Herstellung ist ähnlich wie die eines Strahlenteiler-Blocks, außer daß der dünne reflektierende Streifen auf einer der beiden Flächen angebracht wird und die beiden Flächen anschließend zusammenzementiert werden.

Claims (12)

1. Eine optische Abtasteinrichtung mit folgenden Bauteilen:

einer Lichtquelle;

einer rotierenden Abtastscheibe (42) mit einer kreisförmigen Anordnung konkaver Reflektoren (44) auf einer ihrer planen Oberflächen, und die so angeordnet ist, daß das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht jeweils von mindestens einem der genannten konkaven Reflektoren (44; aufgefangen wird;

einem Bandspiegel (48), der sich in Richtung des Abtastweges der konkaven Reflektoren (44) erstreckt und in einem der Brennweite der konkaven Reflektoren (44) entsprechenden Abstand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Primär-Abbildungsspiegel (50) so angeordnet ist, daß dieser ein Abbild des vom genannten Bandspiegel (48) empfangenen Lichts in einer Abbildungsebene (56) erzeugt; und daß

ein asphärischer Feldspiegel (52) zur Korrektur der Feldkrümmung benachbart zur Abbildungsebene (56) angeordnet ist.

2. Ein optischer Zeilendrucker mit einer optischen Abtasteinrichtung nach Anspruch 1 und einem pick-off Spiegel (54), um das vom Feldspiegel (52) empfangene Licht auf die Abbildungsebene (56) zu leiten.

3. Ein optischer Zeilenabtaster zum Abtasten eines Objektes (55) in einer Objektebene (56), der einen Primär-Abbildungsspiegel (50) enthält, der so angeordnet ist, daß er Licht auf einen Bandspiegel (48) fokussiert, eine rotierende Abtastscheibe (42) mit einer kreisförmigen Anordnung konkaver Reflektoren (44) auf einer ihrer planen Oberflächen, und die in einem der Brennweite der konkaven Reflektoren (44) entsprechenden Abstand vom Bandspiegel (48) angeordnet ist, einen Detektor (61) geeignet zum Auffangen des von den konkaven Reflektoren (44) reflektierten Lichts, einen asphärischen Feldspiegel (52) zur Korrektur der Feldkrümmung, der benachbart zu einer Abbildungsebene (56) angeordnet ist, und einen pick-off Spiegel (54) zum Umlenken des von der Abbildungsebene (56) empfangenen Lichts auf den Feldspiegel (52).

4. Die optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder der optische Zeilendrucker nach Anspruch 2, in welchen der Feldspiegel (52) von der Abbildungsebene (56) um mindestens den sagittalen Abstand von einer Tangentenebene zum Feldspiegel (52) am Rand-Hauptstrahl-Einfallspunkt entfernt angeordnet ist

5. Die optische Einrichtung nach Anspruch 1, der optische Zeilendrucker nach Anspruch 2 oder der optische Zeilenabtaster nach Anspruch 3, in welchen die konkaven Reflektoren (44) eine hyperbolische, asphärische Oberfläche aufweisen.

6. Die optische Einrichtung nach Anspruch 1, der optische Zeilendrucker nach Anspruch 2 oder der optische Zeilenabtaster nach Anspruch 3, in welchen das Licht eine maximale optische Wegdifferenz von etwa einer Viertel Wellenlänge aufweist.

7. Die optische Einrichtung nach Anspruch 1, der optische Zeilendrucker nach Anspruch 2 oder der optische Zeilenabtaster nach Anspruch 3, in welchen das Licht eine Spitze-Spitze-Abweichung vom F-theta Zustand von etwa 0.012 mm aufweist.

8. Die optische Einrichtung nach Anspruch 1, der optische Zeilendrucker nach Anspruch 2 oder der optische Zeilenabtaster nach Anspruch 3, die weiterhin eine Vorrichtung zum Sammeln des Lichts von den konkaven Reflektoren (44) aufweisen.

9. Die optische Einrichtung nach Anspruch 1, der optische Zeilendrucker nach Anspruch 2 oder der optische Zeilenabtaster nach Anspruch 3, die weiterhin eine Korrekturlinse (46) im optischen Weg zwischen dem Primär-Spiegel (50) und dem Feldspiegel (52) aufweisen.

10. Der optische Zeilendrucker nach Anspruch 2, in welchem die Lichtquelle ein Laser ist.

11. Der optische Zeilendrucker nach Anspruch 2 oder der optische Zeilenabtaster nach Anspruch 3, in welchen der Bandspiegel (48) fest mit der rotierenden Abtastscheibe (42) verbunden ist.

12. Der optische Zeilendrucker nach Anspruch 2 oder der optische Zeilenabtaster nach Anspruch 3, in welchen der pick-off Spiegel (54) im Schatten des Bandspiegels (48) im optischen Weg angeordnet ist.