DE69320599T2 - Verhinderung von Streulichtreflexionen bei einem Rasterscanner mit voll ausgeleuchtetem Polygon - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rasterausgabe-Abtastsystem (Raster output scanning System - ROS) und insbesondere ein verbessertes optisches System, mit dem verhindert wird, daß Streulichtreflektionen auf einem lichtempfindlichen Medium abgebildet werden, wenn eine überfüllte (overfilled) Rasterausgabe-Abtasteinrichtungs(ROS)- Konstruktion eingesetzt wird.
• Bei digitalen Druckern, die Rasterausgabe-Abtasteinrichtungen enthalten, wird ein sich drehendes Polygon als das Abtastelement eingesetzt, um modulierte Abtastzeilen auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Mediums herzustellen. Bei einem typischen System wird ein Strahl, der entsprechend einem Eingangsbildsignal moduliert ist, von einer Lichtquelle, wie beispielsweise einem Helium-Neon-Laser oder einem Ionenlaser, emittiert. Das modulierte Licht wird durch eine Vor-Polygon-Konditionieroptik (pre-polygon conditioning optics) auf die Facetten eines sich drehenden Polygons gerichtet. Das Polygon dreht sich im Bereich von 3-30 krpm, anschließend wird der Strahl durch ein optisches Nach-Polygon-System (post-polygon optical system) geleitet und der Laserpunkt als eine Abtastzeile über die gesamte Prozessbreite eines lichtempfindlichen Mediums abgebildet, das sich in einer Prozessrichtung bewegt. Bei ROS-Systemen nach dem Stand der Technik gibt es normalerweise drei Abtastbetriebsarten. In einer ersten Betriebsart enthält die Vor-Polygon-Konditionieroptik eine unterfüllte Konstruktion, das Licht von dem Laser wird beispielsweise bei einem Diodenlaser kollimiert oder bei einem Gaslaser aufgeweitet und in der Schnellabtastrichtung (fast scan direction) auf die richtige Strahlbreite auf eine Abbildungspolygonfacette kollimiert, die kleiner ist als die Facette, und zwar normalerweise um einen Faktor von ungefähr 3. Die unterfüllte Konstruktion ist im allgemeinen aufgrund des hohen Durchsatzwirkungsgrades und der einheitlichen Beleuchtung der Abbildungsfacette bevorzugt worden. Eine zweite Betriebsart ist die überfüllte Konstruktion, bei der der Lichtstrahl bei einem Diodenlaser kollimiert oder bei einem Gaslaser auf die richtige Strahlbreite in der Schnellabtastrichtung auf die abbildungspolygone Facette aufgeweitet wird, die in der Schnellabtastrichtung um einen Faktor von ungefähr 3 größer ist als die Facette. Bei einer überfüllten Konstruktion wird die Anforderung an eine Facettengröße, die erforderlich ist, um eine bestimmte Punktgröße auf dem Bildmedium zu erzeugen, erheblich verringert, so daß viel mehr Facetten auf einem Polygon mit dem gleichen Durchmesser aufgenommen werden können. Dies ermöglicht es dem Abtastsystem wiederum, mehr Abtastzeilen pro Sekunde mit einem bestimmten Polygonmotor herzustellen, oder gestattet als Alternative dazu den Einsatz von weniger starken und weniger teuren Polygonmotorantrieben. Die überfüllte Konstruktion weist mehrere Nachteile auf, die bisher noch nicht vollständig überwunden wurden. Der Durchsatzwirkungsgrad ist verglichen mit dem Wirkungsgrad der unterfüllten Konstruktion von 50% relativ niedrig (20%), und die Beleuchtung der Abbildungsfacette ist nicht genauso gleichmäßig wie bei der unterfüllten Konstruktion. Mit diesem Beleuchtungsproblem befassen sich jedoch die in US-A-4,941,721 offenbarten Verfahren. Eine dritte Betriebsart ist die, bei der die Facette genau durch den Belichtungsstrahl beleuchtet wird. Um diese Betriebsart zu ermöglichen, muß eine relativ teure und komplizierte Facettenführungsvorrichtung vorhanden sein, um den Strahl in der Drehrichtung der Facette zu verschieben, so daß sich der Beleuchtungsstrahl synchron zu der Facette bewegt.
• Die überfüllte Konstruktion weist zusätzlich zu den obenaufgeführten Nachteilen ein erhebliches Problem hinsichtlich der Streureflektion von Licht von Facetten auf, die an die Facette angrenzen, die vollständig beleuchtet wird, um die Abtastzeile auf dem lichtempfindlichen Medium herzustellen. Dieses Streureflektionslicht wird durch das optische Vor-Polygon-System zurückreflektiert, in dem das Licht entweder in den Laser eintritt, indem es durch die teilweise durchlässige teilweise reflektierende Vorderfläche des Lasers hindurchtritt, oder es durchläuft eine andere Reflektion, d. h. diesmal durch die teilweise reflektierende Diodenlaservorderfläche. Wenn es in den Laserhohlraum eintritt, kann dies dazu führen, daß der Laserausgang instabil wird. Wenn es durch das optische Polygonsystem wieder auf die Abbildungsfacette zurückreflektiert wird und anschließend durch das optische Nach-Polygon-System reflektiert wird, in dem es auf die Bildebene auftritt, kann es ein unerwünschtes Lichtbild verursachen.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Abtastvorrichtung zu schaffen, mit der diese Nachteile überwunden werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine optische Abtastvorrichtung zum Ausgleich von unerwünschter Streulichtreflektionen in einer überfüllten Polygon-Konstruktion geschaffen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
• So ist die optische Achse der Lichtstrahlen in dem Vor-Polygon-Optiksystem in einem bestimmten optimalen Winkel φ' zur optischen Achse des Nach-Polygon-Optiksystems ausgerichtet, so daß das Streulicht nur zu den Zeitpunkten auf den Photorezeptor fällt, die außerhalb der Zeit liegen, während der die Abtastzeile die Photorezeptorfläche überstreicht.
• Im folgenden wird eine Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
• Fig. 1 eine überfüllte Polygon-ROS-Konstruktion nach dem Stand der Technik zeigt, die das Streulichtproblem veranschaulicht.
• Fig. 2 die Konstruktion in Fig. 1 mit einem bevorzugten Winkel φ zeigt, der durch die optische Achse der Vor-Polygon- und Nach-Polygon-Optiksysteme gebildet wird.
• In Fig. 1 ist ein ROS-System 8 mit einer überfüllten Polygon-Facettenkonstruktion dargestellt. Eine Laserdiode 12 dient als die Quelle kollimierter polarisierter Strahlung mit hoher Intensität. Bildsignale werden in ein elektronisches Untersystem (Electronic Sub System - ESS) 10 eingeleitet und an die selbstmodulierende Laserdiode 12 angelegt. Der Lichtausgangsstrahl wird entsprechend der in dem Bildsignal enthaltenen Information moduliert. Der modulierte Strahl wird durch eine Kollimatorbaugruppe 14 kollimiert. Als Alternative dazu kann, wie in Fig. 1 mit unterbrochenen Linien dargestellt, ein Gaslaser 12' eingesetzt werden, der einen nahezu kollimierten Ausgang erzeugt, jedoch ist dafür Strahlaufweitung erforderlich, die durch die Strahlaufweitungsoptik 14' ausgeführt wird. Der Gaslaserausgang kann linear oder willkürlich polarisiert werden. Bei beiden Ausführungen hat das kollimierte Lichtbündel in der Abtastrichtung eine Breite, durch die die Facetten 24A und 24B überfüllt werden. Die Strahlen 22a und b stellen diesen überfüllten Bildstrahl dar. Die Strahlen 22a und b treten durch Zylinderlinse 20 hindurch. Linse 20 formt den kollimierten Eingangsstrahl so, daß er optisch korrekt ist, um den durch das Motorpolygon induzierten Sagittalstrahlpositionsfehler (Wobbeln) auszugleichen. Diode 12, Kollimator 14 und Linse 20 bilden ein optisches Vor-Polygon-System.
• Die Linse erzeugt einen fokussierten Strahl in der Ebene der vertikalen Achse an dem Polygon, wobei die Kollimation des Strahls auf der Senkrecht- bzw. Abtastachse aufrechterhalten wird. Es wird ein kollimierter Lichtstrahl über die Facetten 24A, 24B von Polygon 24 gerichtet, das durch einen Polygonmotor 26 gedreht wird. Facette 24A ist der Veranschaulichung halber als die Abbildungsfacette dargestellt, während Facette 24B eine angrenzende Facette ist. Wenn sich das Polygon dreht, fällt normalerweise ein Teil des auftreffenden Lichtes in einem bestimmten Drehwinkel auf die angrenzende Facette 24B auf. Licht wird auf dem optischen Weg zurückreflektiert, wie dies durch einen Streülichtreflektionsstrahl 28 veranschaulicht ist, der als unterbrochene Linie dargestellt ist. Dieser Strahl tritt durch Linse 20 und Kollimatorbaugruppe 14 hindurch und konvergiert an der reflektierenden Vorderfläche von Diode 12 bzw. dem Vorderspiegel oder Gaslaser. Der Strahl wird dann teilweise auf dem optischen Vor-Polygon-Weg zur Abtastfacette 24 zurückreflektiert und teilweise durch die Vorderfläche von Diode 12 oder des Gaslaserspiegels durchgelassen. Licht, das von der Diodenvorderfläche oder dem Gaslaser-Vorderspiegel und der Facette 24 reflektiert wird, wird durch ein optisches Nach-Polygon-System geleitet, das eine fθ-Abbildungslinse 30 enthält. Linse 30 stellt eine lineare Beziehung zwischen der Drehung von Polygon 24 und der Ablenkung des Abtaststrahls in der Querrichtung an der Photorezeptorfläche 32 dar. Der modulierte Strahl erzeugt eine Bildzeilenbelichtung auf Photorezeptorfläche 32, zu der auch ein unerwünschter Beleuchtungspunkt gehören würde, der durch die Reflektion des Streulichtstrahls erzeugt wird. Des weiteren kann das reflektierte Licht, das die Laserdiodenfacette oder den Gaslaser-Vorderspiegel erreicht, durch die Facette bzw. den Vorderspiegel hindurchtreten und bewirken, daß der Laserdioden-bzw. Gaslaserausgang instabil wird.
• Die optische Achse 40 des optischen Vor-Polygon-Systems einschließlich des Diodenlasers 12, des Strahlkollimators 14 und der Linse 20 bildet, wie in Fig. 1 dargestellt, mit der optischen Achse 50 des optischen Nach-Polygon-Systems einschließlich der fθ- Linse 30 einen Winkel φ. Dieser Winkel ist dem Stand der Technik nach bestimmt worden, indem die Punktbreitenabweichung über die Abtastzeile auf ein Minimum verringert wurde. Es ist jedoch nachgewiesen worden, daß es einen optimalen Winkel φ' gibt, der verhindert, daß Strahlen, die auf benachbarte Facetten, wie beispielsweise 24B, auftreffen, während des Abtastens des Photorezeptors durch die Abtastfacette 24A im rechten Winkel auftreffen. Der Strahl trifft in einem nicht senkrechten Winkel auf, so daß der unerwünschte Streulichtstrahl S als ein Strahl S' an einem Punkt außerhalb der Bildabtastzeilenbreite SD zu einem Zeitpunkt T&sub1; erzeugt wird. Dieser Winkel beruht auf einer Beziehung, die zwischen dem Facettenwinkel Q und dem Facettenabtastwinkel θ bestimmt und durch den folgenden Ausdruck dargestellt wird:
• φ' = 2(Ω +1/2θ)
• wobei Ω, der Facettenwinkel, 360/X entspricht, X die Anzahl von Facetten ist sowie θ der Winkel ist, der erforderlich ist, damit die Facette den Bildbereich abtastet.
• Fig. 2 zeigt ein ROS-System mit einem Polygon 24 mit 18 Facetten, 24A - 24R. Wie bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung nach dem Stand der Technik wird der Ausgang von Diodenlaser 12 durch eine Strahlaufweitungsoptik 15 aufgeweitet und von einer Linse (nicht dargestellt), wie beispielsweise der Linse 20 in Fig. 1 in der Ebene der vertikalen Achse auf das Polygon fokussiert. Eine fθ-Llnse 30 fokussiert von dem Polygon reflektierte Strahlen auf die Oberfläche 32. Das Polygon dreht sich um einen Winkel θ von 17,5º, um eine 317,5 mm (12,5 Inch) Bildzeile mit Breite SD herzustellen. Für dieses Beispiel gilt φ' = 2(360 ÷ 18 + 17,5 ÷ 2) bzw. φ' = 57,5º. Die Mittellinien 40 und 50 werden so in diesem Winkel zueinander ausgerichtet. Die reflektierten Strahlen 28 von der Diode werden nunmehr von der vorherigen Abbildungsfacette 24 reflektiert und erreichen den Photorezeptor als Strahl S' an einem Punkt außerhalb der Bildabtastzeile SD.
• Die obenstehende Berechnung von Winkel θ stellt sicher, daß fast das gesamte Streulicht, das zunächst von angrenzenden Facetten reflektiert wird, außerhalb des Abbildungsbereiches SD reflektiert wird. Bei einigen Systemen, bei denen Einzel- oder Mehrfachlaserdioden eingesetzt werden, kann eine zusätzliche Berechnung erforderlich sein, um die Reflektionen der Lichtstrahlenpunkte von der Vorderseite des Diodenchips bzw. der -chips in der Schnellabtastrichtung bei einer kleinen Drehung des Polygons zu berücksichtigen. Die Drehung findet in einem Winkel statt, der durch den Ausdruck (tan&supmin;¹ · W/FL)/2 gegeben ist, wobei W der größte Abstand des Diodenchips zu der Vor- Polygon-Optikachse eines reflektierenden Abschnitts eines Diodenchips in der Schnellabtastrichtung in mm ist, und FL die Brennweite von Kollimator 20 ist. So gilt für ein vollständig kompensiertes System:
• φ' = 2(Ω ± 1/2θ) + 1/2[tan&supmin;¹(W/FL)]
• Dieser zusätzliche Polygon-Drehwinkel ist für eine Einzeldiode sehr klein, kann jedoch von Bedeutung werden, wenn mehrere Dioden in der Schnellabtastrichtung zusammengefaßt werden. Als ein Beispiel läßt sich anführen, daß bei einer einzelnen Diode, die mit W = 0,1 mm versehen ist, und einem Kollimator mit FL von 40 cm ein Wert von 0,7 zu den bereits hergeleiteten 57,5º addiert wird, so daß der Gesamtwert von φ' 57,57º beträgt.
• Die Position von Strahl S' sowie der Zeitpunkt T&sub1;, zu dem S' hergestellt wird, sind wichtig, wenn ein Rückfacettendetector (back facet detector) in der Konstruktion eingesetzt wird, um den Diodenlaserausgangspegel zu messen. Wie dies in der Technik üblich ist, wird der Detektor zu einem Zeitpunkt nach dem Ende des Abtastens und vor dem Beginn des Abtastens freigegeben. Zu dieser Zeit ist der Laser normalerweise angeschaltet und läuft mit voller Energie, so daß die Laserausgangspegel erfaßt werden und Einstellungen vorgenommen werden können, wenn dies erforderlich ist. Aufgrund des Vorhandenseins von Punkt S' während des Zeitpunktes, zu dem diese Erfassung stattfindet, würde der Detektor keine genaue Messung des Ausgangs vomehmen. Die Erfassung des Diodenlaserausgangspegels kann verzögert werden, bis das Polygon den Winkel φ' durchlaufen hat, so daß der zurückreflektierte Strahl nicht mehr auf den Diodenchip auftrifft.

Claims (5)

1. Optische Abtastvorrichtung, die unerwünschte Streulichtreflexionen in einer überfüllten Polygonfacettenkonstruktion ausgleicht, die umfaßt:

ein optisches Vor-Polygon-System mit optischen Komponenten, die auf einer er sten optischen Achse (40) ausgerichtet sind, wobei das optische Vor-Polygon- System eine Quelle (12,12') modulierter kollimierter Lichtstrahlen hoher Intensität enthält, sowie eine Einrichtung (14, 14', 20), die die kollimierten Strahlen in einer Richtung fokussiert,

eine Polygonabtasteinrichtung (24) mit einer Reihe von X lichtreflektierenden Facetten (24A-24R), die auf den optischen Weg zwischen dem optischen Vor- Polygon-System und einem lichtempfindlichen Medium (32) eingesetzt sind, wobei die Facetten durch auftreffendes Licht vollständig beleuchtet werden, so daß sie Abtaststrahlen in dem Facettenabtastwinkel 6 erzeugen, die auf das lichtempfindliche Medium reflektiert werden, wobei benachbarte Facetten wenigstens teilweise beleuchtet werden und wenigstens einen Teil des Lichtes, das senkrecht auf sie auftrifft, als einen Streulichtstrahl in einer entgegensetzten Richtung auf dem optischen Weg reflektieren, und

ein optisches Nach-Polygon-System mit optischen Komponenten, die auf einer zweiten optischen Achse (50) ausgerichtet sind und wenigstens eine fθ-Linse (30) enthalten, die eine Bildzeilenbelichtung von den Abtastfacetten auf das lichtempfindliche Medium reflektierten Strahlen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite optische Achse (40, 50) zueinander einen Winkel φ' bilden, der durch eine der folgenden Gleichungen gegeben ist:

(a) φ' = 2(Ω + 1/2θ)

wobei der Facettenwinkel Ω = 360/X, oder

(b) φ' = 2(Ω +1/2θ) + 1/2[tan&supmin;¹(W/FL)],

wobei die Quelle eine Laserdicke (12) mit einer vorderen reflektierenden Fläche der Bereich W in einer Schnellabtastrichtung ist, und wobei die Kollimationskrise eine Brennweite FL hat.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quelle (12) von Lichtstrahlen einen Diodenlaser und eine Kollimationseinrichtung zum Kollimieren des Lichtstrahls, der von dem Laser ausgegeben wird, enthält.

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quelle (12) von Lichtstrahlen einen Gaslaser und eine Lichtaufweitungseinrichtung zum Aufweiten des Lichtstrahlausgangs des Lasers enthält.

4. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bildzeilenbelichtung auf einer Abtastzeile hergestellt wird, die eine Länge SD aufweist, und wobei das Streulicht als ein Streulichtstrahl S' außerhalb der Strecke SD entsteht.

5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, die eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Ausgangspegel der Quelle von Lichtstrahlen an einem Punkt außerhalb der Strecke SD enthält.