DE69433097T2

DE69433097T2 - Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE69433097T2
Application number: DE69433097T
Authority: DE
Inventors: Yujiro Suwa-shi Nomura; Takashi Suwa-shi Suzuki; Kyu Suwa-shi Takada; Nozomu Suwa-shi Inoue
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-06-18
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2014-06-18
Also published as: DE69433097D1; DE69416201D1; EP0629891A1; EP0813087A2; EP0813087A3; DE69416201T2; EP0629891B1; EP0813087B1; US5771062A

Description

Beschreibung
Diese Erfindung betrifft eine Strahlabtastungsvorrichtung zur Verwendung mit einem Laserstrahldrucker und ähnlichen Vorrichtungen.
Die Strahlabtastungsvorrichtungen zur Verwendung mit Laserstrahldruckern und ähnlichen Vorrichtungen sind so ausgebildet, dass ein optischer Strahl, der von einer Lichtquelle, wie einem Halbleiterlaser, ausgeht und durch eine Kollimatorlinse kollimiert wird, für die Abtastung durch einen schnell angetriebenen, drehenden, polygonalen Spiegel abgelenkt und durch eine Abbildungslinse zur Bildung eines Strahlflecks fokussiert wird, der eine Bildebene beleuchtet, um sie auf eine Belichtung abzutasten. Ein Problem bei dieser Art von Strahlabtastungsvorrichtung ist, dass die Abbildungslinse so teuer ist, dass sie den Großteil der Kosten des Gesamtsystems ausmacht. Zusätzlich ist die Abbildungslinse für gewöhnlich bis zu 100 mm im Durchmesser, wodurch das System unvermeidlich voluminös wird. Als ein weiteres Problem ist der polygonale Spiegel nicht nur teuer, sondern auch voluminös (d.h., sein umschriebener Kreis hat für gewöhnlich einen Radius von ungefähr 20 mm); dies trägt zu einer unvermeidbaren Erhöhung der Kosten und Größe des gesamten Systems bei.
In Hinblick auf eine Lösung dieser Probleme offenbart die Japanische Patentanmeldung Nr. Hei 5-121995 eine Strahlabtastungsvorrichtung einer Art mit einem optischen Element, das durch ein Antriebsmittel in Drehung versetzt wird, so dass es zu einer kontinuierlichen Winkelverschiebung in Bezug auf den Strahl von einem Strahlgenerator imstande ist, wobei der Strahl eine Abtastung durchführt, indem er auf eine Bildebene fokussiert wird, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das optische Element mit einer Eintrittsfläche, einer Reflexionsfläche und einer Austrittsfläche versehen ist, wobei wenigstens eine von diesen über die Möglichkeit verfügt, Abbildungsfehler zu korrigieren. In dieser Vorrichtung dient die Reflexionsfläche des strahlablenkenden optischen Elements (das in der Folge als "drehender Linsenspiegel" bezeichnet wird) als Ablenkungselement aber gleichzeitig können die einzelnen Flächen auch als Linsen dienen, wodurch ein gewisser Freiheitsgrad bei der Korrektur von Abbildungsfehlern gegeben ist. Mit anderen Worten, der einzelne drehende Linsenspiegel dient sowohl als Ablenkungselement wie auch als Linse, wodurch die Strahlabtastungsvorrichtung Abbildungsfehler in einem ausreichenden Maße korrigiert, um zufrieden stellende optische Eigenschaften zu garantieren.
In Bezug auf den drehenden polygonalen Spiegel, der auch bei herkömmlichen Laserstrahldruckern verwendet wird, bringen seine einzelnen Flächen für gewöhnlich Parallelitätsfehler mit sich, die sich während seines Herstellungsprozesses entwickeln, und ferner kann ein Montagefehler auftreten, wenn er an der Rotationswelle befestigt wird. Durch diese Fehler ändert sich die Bewegungsrichtung eines reflektierten Strahls in einer Ebene senkrecht zu den Ablenkflächen, wodurch eine Ungleichmäßigkeit im Zeilenabstand entsteht. Zusätzlich können Präzession und andere unregelmäßige Bewegungen, die in der Rotationswelle des polygonalen Spiegels auftreten, eine Ursache für eine ähnliche Ungleichmäßigkeit im Zeilenabstand sein. Zur Verbesserung der Präzision nicht nur des polygonalen Spiegels, sondern auch des Ablenkungselements als Ganzes auf solche Werte, dass kein Problem mit dem Bild entsteht, wird die Herstellungszeit so ausgedehnt, dass der Preis des fertigen Produkts unerschwinglich wird.
Daher wurden verschiedene Vorschläge zur Lösung dieser Probleme durch so genannte "neigungskorrigierende" Optiken gemacht. Zum Beispiel schlugen U.S. Pat. Nr. 3,750,189 und die Ungeprüfte Veröffentlichte Japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 56-36622 ein "konjugiertes" Neigungskorrektursystem einer Art vor, die anamorphotische Abtastoptiken unterschiedlicher Brechkraft in einer Hauptabtastungsebene und einer Ebene, die senkrecht zu der Hauptabtastungsebene liegt und die optische Achse enthält (die zweite Ebene wird in der Folge als "Nebenabtastungsebene" bezeichnet), verwendet. Bei diesem System wird ein Lichtstrahl auf die Reflexionsflächen des polygonalen Spiegels zur Beleuchtung der Nebenabtastungsebene fokussiert, so dass jede der Reflexionsflächen zur Ebene des Photorezeptors konjugiert ist. Die Ungeprüften Veröffentlichten Japanischen Patentanmeldungen (Kokai) Nr. Sho 52-153456 und 58-134618 schlugen ein "dämpfendes" Neigungskorrektursystem vor, in dem eine längliche zylindrische Linse nahe der Photorezeptorebene bereitgestellt wurde, so dass die Schwankungen, die in der Richtung der Ablenkung für die Nebenabtastungsebene aufgrund der Neigung auftreten, abgeschwächt sind.
Zunächst wird der Fall der Optik, die den drehenden polygonalen Spiegel verwendet, unter Bezugnahme auf 42(a) betrachtet, welche die Optik in einer Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse zeigt. Wenn sich eine Ablenkfläche 7 des polygonalen Spiegels neigt, wird ein Lichtstrahl, der von einer Lichtquelle 1 ausgeht und durch eine Kollimatorlinse 2 kollimiert wird, an Punkt P des Schnittpunktes zwischen der Ablenkfläche 7 und der optischen Achse in die Nebenabtastrichtung abgelenkt, wie durch die gestrichelten Linien angezeigt ist; der abgelenkte Strahl geht dann durch eine fθ Linse 4 und fällt auf eine Bildebene 5 an einem Punkt, der von der Hauptabtastebene abweicht, welche die optische Achse enthält, wodurch ein Zeilenabstandfehler ΔX entsteht. In der folgenden Beschreibung wird der Punkt, an dem ein Lichtstrahl aufgrund der Neigung einer Ablenkfläche in die Nebenabtastrichtung abgelenkt wird, wie als Beispiel durch Punkt P dargestellt, einfach als der "Punkt der Neigungsablenkung" bezeichnet. Im Falle der Optik, die einen drehenden polygonalen Spiegel verwendet, liegt der Punkt der Neigungsablenkung auf einer Ablenkfläche; durch Verwendung des konjugierten Neigungskorrektursystems, das in 42(b) dargestellt ist, in dem eine zylindrische Linse 6 mit einer Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung zwischen einer Ablenkfläche 7 und einer Kollimatorlinse 2 vorgesehen ist, so dass eine Lichtquelle 1, Ablenkfläche 7 und eine Bildebene 5 ein optimales konjugiertes Verhältnis erfüllen, kann jede Neigung, die in der Ablenkfläche 7 auftritt, fast vollständig korrigiert werden.
Die zuvor beschriebenen Systeme sind frei von dem Problem ungleichmäßiger Abtastabstände und können eine präzise optische Abtastung ausführen. Die drehenden polygonalen Spiegel, die sie verwenden, sind jedoch nur imstande, den Lichtstrahl abzulenken, der von der Lichtquelle ausgeht, haben aber nicht die Fähigkeit, Abbildungsfehler im Lichtstrahl zu korrigieren oder diesen korrekt auf der Bildebene zu fokussieren. Folglich steigt die Anzahl der zu verwendenden Linsen, wodurch das gesamte System voluminös und teuer wird, was ein großes Hindernis für den jüngsten Trend zu einer Verkleinerung und zu einem persönlichen Gebrauch von Personalcomputern und anderen Büroautomatisierungsgeräten darstellt.
In einem System, das zuvor in der Japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 5-121995, supra, vorgeschlagen wurde, wird nur eine Ablenkfläche zur Beseitigung der Notwendigkeit von Neigungskorrekturoptiken verwendet, und die Funktionen von zwei Elementen, d.h. eines strahlablenkenden polygonalen Spiegels und einer Abbildungsfehler-Korrekturlinse, können nur von dem drehenden Linsenspiegel durchgeführt werden, und somit entsteht der Vorteil der Bereitstellung eines kompakten und kostengünstigen optischen Abtasters, der eine geringere Anzahl von Komponenten umfasst. Andererseits ermöglicht jedoch die Verwendung der einzelnen Ablenkfläche nur eine Abtastung pro Drehung des Linsenspiegels und daher bleibt noch immer Raum für eine weitere Verbesserung in der Abtasteffizienz.
Das Dokument US 3 614 194 offenbart eine Strahlabtastungsvorrichtung mit einem optischen Element, wobei das optische Element mit einer Strahleintrittsfläche, einer Strahlreflexionsfläche und einer Strahlaustrittsfläche versehen ist.
Das Dokument EP 0 576 014 , das eine frühere Europäische Anmeldung nach Art. 54(3) EPC ist, offenbart eine Strahlabtastungsvorrichtung, in der wenigstens eine der Flächen einer Strahlabtastungsvorrichtung konkav, planar, konvex, torisch oder asphärisch sein kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Beseitigung der Probleme und Nachteile in den oben genannten herkömmlichen Strahlabtastungsvorrichtungen. Die Erfindung stellt daher eine Strahlabtastungsvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereit. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Die Ansprüche sind als ein erster, nicht einschränkender Weg zur Definition der Erfindung in allgemeinen Worten zu verstehen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung des Systems, das in der Japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 5-121995, supra, vorgeschlagen wurde, wodurch eine Strahlabtastungsvorrichtung bereitgestellt wird, die imstande ist, beide Anforderungen nach einer noch besseren Auflösung, geringeren Größe und geringeren Kosten zu erfüllen. Genauer gesagt, der drehende Linsenspiegel, der in der genannten Anmeldung vorgeschlagen wurde, besteht aus einem Glas in einer Form, welche die Herstellung bei geringen Kosten eines verbesserten drehenden Linsenspiegels ermöglicht, der die Eigenschaften von Glas nutzt, so dass er hohe Oberflächenpräzision und beständige optische Eigenschaften aufweist, und dieser Linsenspiegel wird zur Herstellung einer Strahlabtastungsvorrichtung verwendet, die eine noch bessere Auflösung hat und dennoch kompakt und weniger teuer ist.
Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann durch eine Strahlabtastungsvorrichtung einer Art mit einem optischen Element erreicht werden, das durch ein Antriebsmittel in Drehung versetzt wird, so dass es zu einer kontinuierlichen Winkelverschiebung in Bezug auf den Strahl von einem Strahlgenerator imstande ist, wobei der Strahl eine Abtastung durch Fokussieren auf eine Bildebene durchführt, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das optische Element mit einer Eintrittsfläche, einer Reflexionsfläche und einer Austrittfläche versehen ist, von welchen wenigstens eine eine zylindrische Oberfläche ist, die nur in der Hauptabtastrichtung über eine Brechkraft verfügt.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung des in der Japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 5-121995, supra, vorgeschlagenen Systems in derartiger Weise, dass die Abtastoptik, die mehrere drehende Linsenspiegel verwendet, mit einer zusätzlichen Fähigkeit zur Neigungskorrektur versehen ist, wodurch eine Strahlabtastungsvorrichtung gebildet wird, die beide Anforderungen nach einer geringeren Größe, geringeren Kosten und einer besseren Auflösung bei höherer Geschwindigkeit, erfüllt.
Dieser zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung kann erreicht werden, indem sichergestellt wird, dass die mehreren optischen Elemente, die jeweils eine Reflexionsfläche wie auch eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche haben, deren Formen so spezifiziert sind, dass sie imstande sind, bestimmte Abbildungsfehler zu korrigieren, in Drehung versetzt werden, wodurch die Abtastungseffizienz verbessert und gleichzeitig der Faktor, um den der Zeilenabstandfehler, der sich auf Grund der Neigung des drehenden Linsenspiegels während der Abtastung durch Strahlablenkung entwickelt, optisch korrigiert wird, auf 0,5 und weniger eingestellt wird.
Es sollte hinzugefügt werden, dass zur Herstellung eines effektiv fokussierten Strahlbildes guter Abtastungslinearität auf einer Bildebene durch eine Strahlabtastungsvorrichtung mit mehreren drehenden Linsenspiegeln bevorzugt ist, eine Abbildungslinse (fθ Linse) in Kombination mit der Neigungskorrekturoptik zu verwenden. Somit ist ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Strahlabtastungsvorrichtung durch Modifizierung der oben genannten Version durch Hinzufügen einer Einzel-Abbildungslinse mit einer torischen Oberfläche.
Dieser Aspekt kann durch eine Strahlabtastungsvorrichtung einer Art erreicht werden, die eine Lichtquelle, eine Kollimatorlinse zum Formen des Strahls von der Lichtquelle, eine zylindrische Linse zur Bildung eines Zeilenbildes an einer Reflexionsfläche eines Ablenkungselements, das zur Drehung bei hoher Geschwindigkeit angetrieben wird, und eine Abbildungslinse, durch welche der Strahl von dem Ablenkungselement auf einer Bildebene fokussiert wird, umfasst, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abbildungslinse, durch welche der Strahl von dem Ablenkungselement neigungskorrigiert auf der Bildebene fokussiert wird, aus einer Einzel-Linse mit einer torischen Oberfläche besteht, die eine bikonvexe Form mit positiver Brechkraft in einem Schnitt aufweist, der die optische Achse enthält und normal zu der Ablenkungsfläche liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein drehender polygonaler Spiegel oder ein drehender Linsenspiegel als Ablenkungselement in der Strahlabtastungsvorrichtung verwendet werden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Abbildungslinse eine Eintrittsfläche haben, die durch Drehen eines Kreisbogens oder anderer geometrischer Formen um eine Achse, welche die Rotationsachse des drehenden polygonalen Spiegels und die optische Achse in rechten Winkeln schneidet, erzeugt wird. Es liegt auch im Umfang der vorliegenden Erfindung, ein finites optisches System zu verwenden, in dem der Lichtstrahl, der auf das Abbildungselement fällt, in der Hauptabtastrichtung konvergiert.
Die Einzel-Abbildungslinse, die eine bikonvexe Form in einem Schnitt hat, der in der Nebenabtastrichtung erstellt wird, hat den Vorteil, dass, im Vergleich zu einer Meniskuslinse, der Krümmungsradius, der notwendig ist, um eine bestimmte Brechkraft zu erzeugen, groß genug sein kann, um eine Verringerung in sphärischen Abbildungsfehlern zu garantieren. Der große Krümmungsradius bietet einen weiteren Vorteil, da die Fluidität von Pressharzen ausreichend verstärkt wird, um eine deutliche Verbesserung in der Effizienz von Linsenformungsprozessen zu bewirken, wodurch eine Abbildungslinse hoher Präzision sehr einfach hergestellt werden kann. Trotz dieser Vereinfachung trägt der hier besprochene Konstruktionsentwurf zu der Bereitstellung einer kleinen und kompakten Strahlabtastungsvorrichtung bei. Wenn der Lichtstrahl, der auf das Abbildungselement fällt, in der Hauptabtastrichtung konvergent wird, kann die optische Brechkraft der Abbildungslinse klein genug gestaltet werden, um eine Gestaltung von Linsen zu ermöglichen, die im Wesentlichen eine gleichförmige Dicke aufweisen und somit sehr gut formbar sind. Die geringe optische Brechkraft hat den zusätzlichen Vorteil, Auswirkungen temperaturabhängiger Schwankungen im Brechungsindex zu verringern.
Die herkömmliche torische Linse hat eine Oberfläche, die durch Drehen eines Kreisbogens um eine Achse parallel zu der Rotationsachse des drehenden polygonalen Spiegels erzeugt wird, aber diese Oberfläche kann die Krümmung einer Ebene in der Nebenabtastrichtung nicht ändern. Andererseits kann unter Verwendung einer Oberfläche, die durch Drehen eines Kreisbogens oder einer anderen geometrischen Form um eine Achse, welche die Rotationsachse des drehenden polygonalen Spiegels und die optische Achse im rechten Winkel schneidet, die Form eines Schnitts in der Hauptabtastrichtung und somit die Krümmung eines Schnitts in der Nebenabtastrichtung, abhängig von der Abtastposition, geändert werden und dies bietet schließlich den Vorteil einer Erhöhung des Freiheitsgrades bei der Korrektur von Abbildungsfehlern, wodurch die Abbildungsleistung in Nebenabtastungsprozessen verbessert wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die torische Linse mit dem drehenden Linsenspiegel kombiniert wird, da eine Verzerrung (fθ Eigenschaften) derart erzeugt werden kann, dass der Ablenkungswinkel des Strahls, der von dem drehenden Linsenspiegel ausgeht, kleiner als sein Drehwinkel ist; daher ist es nicht notwendig, Verzerrungen durch die Abbildungslinse zu entwickeln, und somit wird der Freiheitsgrad in der Linsenkonstruktion ausreichend erhöht, um die Abbildungsleistung in solchen Aspekten wie der Feldkrümmung zu verbessern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher.
1 ist ein Diagramm, welches das Konzept der Optik in einer Strahlabtastungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die zeigt, wie ein drehender Linsenspiegel, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, hergestellt wird;
3 zeigt im Querquerschnitt drei geometrische Formen des drehenden Linsenspiegels in einer Strahlabtastungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt im Querschnitt den Fall, wenn mehrere drehende Linsenspiegel in einer Strahlabtastungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
5(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 1;
5(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse;
6 ist eine perspektivische Ansicht der Optik von Beispiel 1;
7 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in der Optik von Beispiel 1 erhalten werden;
8(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 2;
8(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse;
9 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in der Optik von Beispiel 2 erhalten werden;
10(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 3;
10(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse;
11 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in der Optik von Beispiel 3 erhalten werden;
12(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 4;
12(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse;
13 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in der Optik von Beispiel 4 erhalten werden;
14(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 5;
14(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse;
15 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in der Optik von Beispiel 5 erhalten werden;
16(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 6;
16(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse;
17 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in der Optik von Beispiel 6 erhalten werden;
18(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 7;
18(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse;
19 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in der Optik von Beispiel 7 erhalten werden;
20 zeigt die Anordnung der Abtastoptik in dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf einen Querschnitt, der in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde;
21 ist eine perspektivische Ansicht, die das Koordinatensystem des drehenden Linsenspiegels zeigt;
22(a) zeigt die Neigung des drehenden Linsenspiegels unter Bezugnahme auf eine Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde;
22(b) ist eine vergrößerte Schnittzeichnung des drehenden Linsenspiegels;
23(a) zeigt die Neigung des Linsenspiegels in verschiedenen Rotationswinkeln unter Bezugnahme auf einen Querschnitt, der in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde;
23(b) zeigt die entsprechende Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde;
24(a) und (24b) zeigen die erste Methode der Neigungskorrektur in der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf eine Schnittzeichnung des drehenden Linsenspiegels, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde;
25(a) und 25(b) zeigen eine andere Methode der Neigungskorrektur unter Bezugnahme auf eine Schnittzeichnung des drehenden Linsenspiegels, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde;
26 zeigt, wie sich das Ergebnis eines simulierten Drucks bei verschiedenen Faktoren der Neigungskorrektur ändert;
27(a) und 27(b) sind schematische Ansichten, die das Vergleichsbeispiel 8 in Schnittzeichnungen zeigen, die in der Haupt- beziehungsweise Nebenabtastrichtung erstellt wurden;
28 ist eine perspektivische Ansicht der optischen Abtastungsvorrichtung von Beispiel 8;
29 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in Beispiel 8 erhalten werden;
30(a) und 30(b) sind schematische Ansichten, die das Vergleichsbeispiel 9 in Schnittzeichnungen zeigen, die in der Haupt- beziehungsweise Nebenabtastrichtung erstellt wurden;
31 ist eine perspektivische Ansicht der optischen Abtastungsvorrichtung von Beispiel 9;
32 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in Beispiel 9 erhalten werden;
33(a) und 33(b) sind schematische Ansichten, die das Vergleichsbeispiel 10 in Schnittzeichnungen zeigen, die in der Haupt- beziehungsweise Nebenabtastrichtung erstellt wurden;
34 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in Beispiel 10 erhalten werden;
35(a) und 35(b) sind schematische Ansichten, die das Vergleichsbeispiel 11 in Schnittzeichnungen zeigen, die in der Haupt- beziehungsweise Nebenabtastrichtung erstellt wurden;
36 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in Beispiel 11 erhalten werden;
37(a) und 37(b) sind schematische Ansichten, die das Vergleichsbeispiel 12 in Schnittzeichnungen zeigen, die in der Haupt- beziehungsweise Nebenabtastrichtung erstellt wurden;
38 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in Beispiel 12 erhalten werden;
39(a) und 39(b) sind schematische Ansichten, die das Vergleichsbeispiel 13 in Schnittzeichnungen zeigen, die in der Haupt- beziehungsweise Nebenabtastrichtung erstellt wurden;
40 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die in Beispiel 13 erhalten werden;
41 zeigt die Anordnung von sechs drehenden Linsenspiegeln in einem Querschnitt, der in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde;
42(a) und 42(b) sind Schnittzeichnungen, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurden, die zeigen, wie bei einem optischen Abbildungselement unter Verwendung eines herkömmlichen drehenden polygonalen Spiegels die Neigung korrigiert wird;
43(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 14;
43(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse;
44 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Abbildungslinse in der Strahlabtastungsvorrichtung von 43 erhalten werden;
45(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 15;
45(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse;
46 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Strahlabtastungsvorrichtung von 45 erhalten werden;
47(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 16;
47(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponente, im Verlauf entlang der optischen Achse; und
48 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Abbildungslinse in der Strahlabtastungsvorrichtung von 47 erhalten werden.
Beispiele, die den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erreichen, sind in der Folge ausführlich beschrieben. 1 bis 6 zeigen eine Strahlabtastungsvorrichtung gemäß einem typischen Beispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Strahl, der von einem Halbleiterlaser 1 ausgeht, wird durch eine Kollimatorlinse 2 kollimiert. Der Strahl fällt auf die Eintrittsfläche S₁ eines drehenden Linsenspiegels 3, der als optisches Element dient; der Strahl wird dann von der Reflexionsfläche S₂ des Linsenspiegels reflektiert und tritt aus diesem durch die Austrittsfläche S₃ aus. Die Eintrittsfläche S₁ und die Austrittsfläche S₃ sind so eingerichtet, dass der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, durch diese Flächen in einer normalen Richtung geht. Andererseits ist die Reflexionsfläche S₂ so eingerichtet, dass der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, auf die Reflexionsfläche S₂ in einem Winkel von 45° einfällt. Die Eintrittsfläche S₁ ist eine zylindrische Oberfläche, die nur in der Hauptabtastrichtung (d.h., der Richtung, in welcher ein Strahlfleck eine Bildebene abtastet) über eine Brechkraft verfügt und die in einem Schnitt, der in der Hauptabtastrichtung gebildet wird, konkav ist; die Reflexionsfläche S₂ ist eine flache Ebene; und die Austrittsfläche S₃ ist eine zylindrische Oberfläche, die nur in der Hauptabtastrichtung über eine Brechkraft verfügt und die in einem Schnitt, der in der Hauptabtastrichtung gebildet wird, konvex ist. Somit haben sowohl die Eintrittsfläche S₁ als auch die Austrittsfläche S₃ eine Brechkraft nur in der Hauptabtastrichtung. Die Rotationsachse 0 des Linsenspiegels 3 ist in der Reflexionsfläche S₂ enthalten und geht durch den Reflexionspunkt des Strahls, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist. Es sollte hier festgehalten werden, dass die optische Achse durch die Eintrittsfläche S₁ des drehenden Linsenspiegels, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und jene durch die Austrittsfläche S₃ jeweils mit dem optischen Pfad des Strahls, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, übereinstimmen sollen. Der Strahl wird infolge der Drehung des Linsenspiegels 3 abgelenkt. Der abgelenkte Strahl geht durch eine Abbildungslinse 4 zur Bildung eines Flecks auf der Bildebene 5.
Zur Herstellung einer Abtastungsvorrichtung, die zu einer hohen Auflösung imstande ist, muss die Abbildungsleistung unter Verwendung eines optischen Elements hoher Präzision verbessert werden; wenn das optische Element eine Linse ist, wird diese vorzugsweise durch Schleifen und Polieren eines Glasmaterials hergestellt, da dies für eine hohe Oberflächenpräzision und beständige optische Eigenschaften sorgt. Der drehende Linsenspiegel, der in der Abtastungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, ist derart, dass die Eintritts- und Austrittsfläche jeweils eine zylindrische Oberfläche sind, die nur in der Hauptabtastrichtung eine Krümmung aufweist, während die Reflexionsfläche eine flache Ebene ist. Ein Verfahren zur Herstellung des drehenden Linsenspiegels ist schematisch in 2 dargestellt; zunächst wird eine dreiflächige Säule 10, die in die Richtung der Erzeugenden verlängert ist, aus Glas hergestellt; die Säule besteht aus einer flachen Ebene S₂', die schließlich die Reflexionsfläche S₂ definiert, wie auch aus zwei zylindrischen Oberflächen S₁' und S₃', deren Erzeugende parallel zueinander liegen und schließlich die Eintrittsfläche S₁ beziehungsweise die Austrittsfläche S₃ definieren; dann wird die hergestellte Säule in spezifizierte Dicken durch Ebenen normal zu den Erzeugenden geschnitten. Diese Methode hat den Vorteil, dass die optischen Flächen einer Anzahl drehender Linsenspiegel gleichzeitig geschliffen und poliert werden können, und dass das herkömmliche Herstellungsverfahren für zylindrische Linsen als solches verwendet werden kann, wodurch eine deutliche Verringerung in den Kosten des drehenden Linsenspiegels erreicht wird. Als weiterer Vorteil ist durch die Verwendung zylindrischer Oberflächen nicht mehr notwendig, die Präzision in der Neigung der Oberflächen in der Richtung ihrer Erzeugenden zu prüfen, wodurch die Linsenherstellung vereinfacht und die geometrische Präzision der Linsenform verbessert wird. Die Reflexionsfläche des Linsenspiegels kann mit einem reflektierenden Film, wie einem dünnen Aluminiumfilm, durch Aufdampfen oder eine andere geeignete Technik überzogen werden. Nach Wunsch kann der Winkel des Strahleinfalls an der Reflexionsfläche größer als der kritische Wert eingestellt werden, so dass die Totalreflexion des Strahls erreicht wird, wodurch es nicht mehr notwendig ist, den reflektierenden Film bereitzustellen. Es ist auch möglich, die dreiflächige Säule 10 durch Formen eines Harzmaterials herzustellen, und dies trägt zu einer weiteren Verringerung in den Kosten des drehenden Linsenspiegels bei.
Wenn nur ein drehender Linsenspiegel verwendet wird, wird ein Abtastungszyklus infolge einer Umdrehung des Motors durchgeführt. Es sollte jedoch festgehalten werden, dass mehr als ein Linsenspiegel verwendet werden kann und in diesem Fall mehr als ein Abtastungszyklus pro Umdrehung des Motors ausgeführt wird, wodurch raschere Abtastungsvorgänge möglich sind. Wenn in diesem alternativen Fall, einer der Linsenspiegel die geringfügigste Abweichung von der Symmetrie in Bezug auf seine Rotationsachse erfährt, tritt eine Ungleichmäßigkeit im Zeilenabstand (d.h., die Positionen der Abtastungslinien, die durch den Abbildungsfleck gebildet werden, sind in eine Richtung versetzt, welche die Hauptabtastrichtung in rechten Winkeln kreuzt, nämlich die Nebenabtastrichtung) oder eine Ungleichmäßigkeit in der Abtastungsposition (d.h., die Abtastungsposition in der Hauptabtastrichtung ist versetzt) auf. Zur Vermeidung dieses Problems sind sehr enge Toleranzen für die Symmetrie erforderlich; tatsächlich jedoch ist die Verwendung von mehreren Linsenspiegeln, die von der oben beschriebenen, dreiflächigen Säule geschnitten werden, zur Minimierung der Unterschiede in der Geometrie zwischen den einzelnen Linsenspiegeln effektiv, um dadurch deren Symmetrie in Bezug auf die Rotationsachse zu verbessern.
Wenigstens ein Abbildungslinsenelement muss verwendet werden, um eine ausreichende Leistung für herkömmliche Laserstrahldrucker zu garantieren; es können jedoch zwei oder mehr Abbildungslinsenelemente zur Bereitstellung einer besseren Leistung verwendet werden. Wenn mehr als ein Abbildungslinsenelement verwendet werden soll, hat das gesamte Abbildungslinsensystem vorzugsweise eine positive Brechkraft. Der Grund ist, dass die optischen Eigenschaften der Strahlabtastungsvorrichtung durch Erzeugen einer negativen Verzerrung verbessert werden können, um eine gleichmäßige Abtastung (bei konstanter Geschwindigkeit) sicherzustellen. In einer Ausführungsform kann eine längliche zylindrische Linse mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung nahe der Bildebene bereitgestellt sein, wodurch eine "abgeschwächte" Neigungskorrekturoptik erhalten wird, die durch eine verringerte optische Vergrößerung in der Nebenabtastrichtung gekennzeichnet ist. In einer anderen Ausführungsform kann eine zylindrische Linse mit einer Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung zwischen der Kollimatorlinse und dem drehenden Linsenspiegel bereitgestellt sein, so dass der Strahl nur in der Nebenabtastrichtung nahe der Reflexionsfläche des Linsenspiegels zur Bildung eines Linienbildes fokussiert ist, wodurch eine "konjugierte" Neigungskorrekturoptik gebildet wird, die durch das konjugierte Verhältnis zwischen der Reflexionsfläche des Linsenspiegels und der Bildebene gekennzeichnet ist. Der drehende Linsenspiegel, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, hat keine Brechkraft in der Nebenabtastrichtung und selbst wenn sich die Eintritts- und Austrittsflächen des Spiegels auf Grund der Neigung des letzteren neigen, ist somit die Strahlablenkung durch diese Flächen in der Nebenabtastrichtung vernachlässigbar gering und eine Neigungskorrekturoptik hoher Präzision kann selbst mit dem drehenden Linsenspiegel erhalten werden. Als weiterer Vorteil kann eine hoch präzise und gleichmäßige Strahlabtastung erreicht werden, ohne enge Toleranzen für eine mechanische Präzision zu benötigen, selbst wenn mehr als ein drehender Linsenspiegel verwendet wird.
Wenn die Rotationsachse des Linsenspiegels in seiner Reflexionsfläche enthalten ist, sind die Referenzpositionen zur Befestigung dieses Spiegels, wie der Rotationsmittelpunkt und die Reflexionsfläche, bestimmt genug um sicher zu stellen, dass der Linsenspiegel an einem Motor oder einem anderen drehenden Element leicht und exakt montiert werden kann. Wenn der Rotationsmittelpunkt des Linsenspiegels mit dem Punkt an der Reflexionsfläche zusammenfällt, am dem der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, von dieser Fläche reflektiert wird, wird die Anordnung von Oberflächen in der Optik im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die Mitte der Abtastung und somit auch ihre optischen Eigenschaften, wie Abbildungsfehler. Optiken mit einer Symmetrie in Bezug auf eine Linie, die durch eine sphärische Linse verkörpert wird, genügen somit, um Abbildungsfehler und andere Eigenschaften zu korrigieren. Falls erwünscht, können zwei Linsenspiegel symmetrisch in Bezug auf den Rotationsmittelpunkt bereitgestellt werden, so dass zwei Abtastungszyklen pro Umdrehung des Motors ausgeführt werden; wenn in diesem Fall der Rotationsmittelpunkt in der Reflexionsfläche jedes Linsenspiegels liegt, können die Reflexionsflächen der entsprechenden Linsenspiegel in engen Kontakt miteinander gebracht werden, wodurch garantiert wird, dass die zwei Linsenspiegel mit hoher Präzision befestigt werden können, um ein hohes Maß an Symmetrie bereitzustellen.
3 zeigt drei drehende Linsenspiegel 31, 32 und 33, mit verschiedenen werten des Winkels α, der zwischen der Eintrittsfläche S₁ und der Austrittsfläche S₃ des Linsenspiegels 3 gebildet ist. Der Winkel α wird in Übereinstimmung mit dem Winkel β eingestellt, den die optische Achse M zu der Bildebene 5 mit dem Strahl bildet, der von der Lichtquelle ausgeht; vom Standpunkt der effektiven Abbildungsfehlerkorrektur betrachtet, wird der Winkel α vorzugsweise bei solchen Werten eingestellt, dass der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, sowohl durch die Eintrittsfläche S₁ als auch die Austrittsfläche S₃ in einer normalen Richtung geht, wie in 3 dargestellt. In diesem Fall bieten größere Werte von Winkel α den Vorteil, dass kleinere Flächen der Reflexionsfläche S₃ erforderlich sind (siehe 3). Ferner wird jeder der Linsenspiegel 31, 32 und 33 bei hoher Geschwindigkeit gedreht und somit sind seine Scheitelpunkte vorzugsweise als Kreisbögen gebildet, um sowohl das Jaulen wie auch den Windverlust zu verringern. Es sollte auch festgehalten werden, dass, wenn mehrere drehende Linsenspiegel derart angeordnet werden sollen, dass sie in Bezug auf die Rotationsachse symmetrisch sind, der wert von Winkel α vorzugsweise groß ist, wie in 4 dargestellt ist, damit mehr Linsenspiegel zusammengefügt werden können.
Auf den folgenden Seiten sind mehrere spezifische Beispiele des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung gemeinsam mit ihren optischen Spezifikationen und den Abbildungsfehlern, die sich in ihnen entwickeln, beschrieben. In jedem dieser Beispiele wird angenommen, dass der Linsenspiegel vom Anfang bis zum Ende eines Abtastungszyklus um einen Winkel 2ω dreht. Verschiedene optische Spezifikationen sind durch die folgenden Symbole dargestellt: r_i für den Krümmungsradius einer i-ten Oberfläche S_i; d_i für den auf der Achse liegenden Abstand einer i-ten Oberfläche zu der nächsten Oberfläche; wenn eine Oberfläche von Interesse zylindrisch ist und nur in der Hauptabtastrichtung über eine Brechkraft verfügt, wird ihr Krümmungsradius in der Hauptabtastrichtung mit r_iy bezeichnet; wenn die zylindrische Oberfläche nur in der Nebenabtastrichtung über eine Brechkraft verfügt, wird ihr Krümmungsradius in der Nebenabtastrichtung mit r_ix bezeichnet; wenn die Oberfläche von Interesse torisch ist, werden ihre Krümmungsradien in der Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung mit r_iy beziehungsweise r_ix bezeichnet; wenn die Form der Oberfläche in einem Schnitt in der Hauptabtastrichtung anders als ein Kreisbogen ist, werden die asphärischen Koeffizienten K_iy und A_iy durch die folgende Gleichung dargestellt:
wobei Z_i die Strecke ist, um die der Punkt auf der asphärischen Oberfläche, wo die Höhe von der optischen Achse h ist, von der Ebene tangential zu dem Vertex der asphärischen Oberfläche abweicht; S₁, S₂ und S₃ beziehen sich auf die Eintrittsfläche, die Reflexionsfläche beziehungsweise die Austrittsfläche des drehenden Linsenspiegels; n₁ und n₂ beziehen sich jeweils auf den Brechungsindex eines drehenden Linsenspiegels.
In einigen Beispielen umfassen die Daten optischer Spezifikationen eine Lichtquelle, eine Kollimatorlinse, eine zylindrische Linse, die zwischen der Kollimatorlinse und dem drehenden Linsenspiegel bereitgestellt ist, eine erste Abbildungslinse und eine zweite Abbildungslinse. In solchen Beispielen ist die Lichtquelle durch So bezeichnet; die Eintritts- und Austrittsflächen der Kollimatorlinse sind mit S_a beziehungsweise S_b bezeichnet; die Eintritts- und Austrittsflächen der zylindrischen Linse sind mit S_c beziehungsweise S_d bezeichnet; die Eintritts- und Austrittsflächen der ersten Abbildungslinse sind mit S_e beziehungsweise S_f bezeichnet; die Eintritts- und Austrittsflächen der zweiten Abbildungslinse sind mit S_g beziehungsweise S_h bezeichnet; die Brechungsindizes der Kollimatorlinse, der zylindrischen Linse, der ersten Abbildungslinse und der zweiten Abbildungslinse sind mit n_a, n_c, n_e beziehungsweise n_g bezeichnet .
In Bezug auf die Graphiken, die Abbildungsfehlerkurven zeigen, ist die Feldkrümmung, die sich in der Hauptabtastrichtung entwickelt, durch gestrichelte Linien dargestellt, und jene, die sich in der Nebenabtastrichtung entwickelt, ist durch Volllinien dargestellt. In Bezug auf die Abtastungslinearität ist es im Fall einer fθ Linse üblich, die Abweichung der tatsächlichen Bildhöhe von dem Idealwert y = fθ in Prozent anzugeben. In der vorliegenden Erfindung jedoch, wo sowohl die Eintritts- als auch Austrittsflächen des Linsenspiegels zur Drehung ausgebildet sind, ist die ideale Bildhöhe nicht gleich fθ und somit wird eine äquivalente Darstellungsmethode verwendet, nach der die Abweichung von der idealen Bildhöhe Y = ζθ in Prozent angegeben wird, wobei ζ die Änderung in der Bildhöhe mit dem Rotationswinkel des Linsenspiegels für paraxiale Strahlen darstellt. In allen folgenden Beispielen ist die geplante Wellenlänge bei 780 nm eingestellt.
BEISPIEL 1
Beispiel 1 betrifft ein System, das nicht nur den drehenden Linsenspiegel sondern auch eine Abbildungslinse enthält, die ein torisches Einzel-Linsenelement ist. Einzelheiten dieses Systems sind in der Folge angegeben.
5 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 1; 5(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 5(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. 6 ist eine perspektivische Ansicht der Strahlabtastungsvorrichtung, die gemäß Beispiel 1 konstruiert ist, wobei nicht nur der drehende Linsenspiegel 3, sondern auch die Abbildungslinse 4 verwendet wird. Die Eintrittsfläche S_e und die Austrittsfläche S_f der Abbildungslinse 4 sind jeweils als torische Oberfläche gebildet. Der drehende Linsenspiegel 3 empfängt den Strahl, der durch die Kollimatorlinse 2 kollimiert wurde.
In der Folge sind die Daten typischer optischer Spezifikationen des Systems gemäß Beispiel 1 dargestellt.
2ω = 40,6°.
7 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit dem System von. Beispiel 1 erhalten werden; offensichtlich werden Abbildungsfehler effektiv in Beispiel 1 korrigiert.
BEISPIEL 2
Beispiel 2 bezieht sich auf ein System, das nicht nur den drehenden Linsenspiegel, sondern auch zwei Abbildungslinsenelemente enthält. Einzelheiten dieses Systems sind in der Folge angeführt.
8 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 2; 8(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 8(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. Das System von Beispiel 2 enthält nicht nur den drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch eine erste Abbildungslinse 41 und eine zweite Abbildungslinse 42; die Eintrittsfläche S_e der ersten Abbildungslinse 41 ist eine zylindrische Oberfläche mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung, und ihre Austrittsfläche S_f ist eine flache Ebene. Die Eintrittsfläche S_g und die Austrittsfläche S_h der zweiten Abbildungslinse 42 sind beide als sphärische Oberfläche ausgebildet. Der drehende Linsenspiegel 3 empfängt den Strahl, der durch die Kollimatorlinse 2 kollimiert wurde.
In Beispiel 2 werden zwei Abbildungslinsenelemente verwendet und daher werden zufrieden stellende optische Eigenschaften erreicht, selbst wenn die derart gebildeten Linsenoberflächen weder asphärische Oberflächen mit Rotationssymmetrie noch torische Oberflächen sind. Daher können alle Linsen bei vergleichsweise geringen Kosten hergestellt werden, selbst wenn sie aus Glas bestehen, und daher können präzise und beständige Abtastoptiken bei geringen Kosten hergestellt werden, wobei die Eigenschaften des Glases im vollsten Ausmaß genutzt werden.
In der Folge sind die Daten typischer optischer Spezifikationen des Systems gemäß Beispiel 2 dargestellt.
2ω = 32,2°.
9 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit dem System von Beispiel 2 erhalten werden; offensichtlich werden Abbildungsfehler so effektiv wie in Beispiel 1 korrigiert.
BEISPIEL 3
Beispiel 3 bezieht sich auf ein System, das nicht nur den drehenden Linsenspiegel und die Abbildungslinse, sondern auch eine weitere (zweite) Abbildungslinse enthält, die eine zylindrische Linse mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung ist und die nahe der Bildebene bereitgestellt ist. Einzelheiten dieses Systems sind in der Folge angeführt.
10 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 3; 10(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 10(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. In Beispiel 3 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Das System von Beispiel 3 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch die erste Abbildungslinse 41 und die zweite Abbildungslinse 42; die Eintrittsfläche S_e und die Austrittsfläche S_f der ersten Abbildungslinse 41 sind beide sphärisch; die Eintrittsfläche S_g der zweiten Abbildungslinse 42 ist eine zylindrische Oberfläche mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung und ihre Austrittsfläche S_h ist eine flache Ebene. Die drehenden Linsenspiegel 3 empfangen den Strahl, der durch die Kollimatorlinse 2 kollimiert wurde.
In Beispiel 3 ist die zweite Abbildungslinse 42, die eine längliche zylindrische Linse mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung ist, nahe der Bildebene bereitgestellt, wodurch eine "dämpfende" Neigungskorrekturoptik erhalten wird, die durch eine verringerte optische Vergrößerung in der Nebenabtastrichtung gekennzeichnet ist.
In der Folge sind die Daten typischer optischer Spezifikationen des Systems gemäß Beispiel 3 dargestellt.
2ω = 40,2°.
11 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit dem System von Beispiel 3 erhalten werden.
In einer modifizierten Version von Beispiel 3 kann die zweite Abbildungslinse 42, die eine längliche zylindrische Linse ist, derart gekrümmt sein, dass der Abstand zu der Bildebene 5 zwischen der Mitte der Abtastung und einem Rand davon variiert; diese Modifizierung bewirkt eine weitere Verbesserung der Abbildungsleistung der Optik.
BEISPIEL 4
Beispiel 4 bezieht sich auf ein System, das nicht nur den drehenden Linsenspiegel, sondern auch die erste Abbildungslinse, die eine zylindrische Linse mit Brechkraft nur in der Hauptabtastrichtung ist, und die zweite Abbildungslinse, die eine zylindrische Linse mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung ist und die nahe der Bildebene bereitgestellt ist, enthält. Einzelheiten dieses Systems sind in der Folge angeführt.
12 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 4; 12(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 12(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. In Beispiel 4 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Das System von Beispiel 4 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch die erste Abbildungslinse 41 und die zweite Abbildungslinse 42; die Eintrittsfläche S_e und die Austrittsfläche S_f der ersten Abbildungslinse 41 sind beide eine zylindrische Oberfläche mit Brechkraft nur in der Hauptabtastrichtung; die Eintrittsfläche S_g der zweiten Abbildungslinse 42 ist eine zylindrische Oberfläche mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung und ihre Austrittsfläche Sh ist eine flache Ebene. Die drehenden Linsenspiegel 3 empfangen den Strahl, der durch die Kollimatorlinse 2 kollimiert wurde.
In Beispiel 4 ist die zweite Abbildungslinse 42, die eine längliche zylindrische Linse mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung ist, nahe der Bildebene bereitgestellt, wodurch eine "abschwächende" Neigungskorrekturoptik erhalten wird, die durch eine verringerte optische Vergrößerung in der Nebenabtastrichtung gekennzeichnet ist. Zusätzlich ist die optische Vergrößerung, die in der Nebenabtastrichtung erreicht wird, geringer als in dem System von Beispiel 3, das die Abbildungslinse 41 ohne Brechkraft in der Nebenabtastrichtung verwendet, und somit ist die Optik zu einer wirksameren Neigungskorrektur verbunden mit guten Ergebnissen in der Korrektur von Abbildungsfehlern imstande. In der Folge sind die Daten typischer optischer Spezifikationen des Systems gemäß Beispiel 4 dargestellt.
2ω = 39,8°.
13 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit dem System von Beispiel 4 erhalten werden; offensichtlich ist eine effiziente Abbildungsfehlerkorrektur in Beispiel 4 möglich.
In einer modifizierten Version von Beispiel 4 kann die zweite Abbildungslinse 42, die eine längliche zylindrische Linse ist, derart gekrümmt sein, dass der Abstand zu der Bildebene 5 zwischen der Mitte der Abtastung und einem Rand davon variiert; diese Modifizierung bewirkt eine weitere Verbesserung der Abbildungsleistung der Optik.
BEISPIEL 5
Beispiel 5 bezieht sich auf ein System, das nicht nur den drehenden Linsenspiegel und die Abbildungslinse, sondern auch eine zylindrische Linse enthält, die eine Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung hat und vor dem drehenden Linsenspiegel bereitgestellt ist. Einzelheiten dieses Systems sind in der Folge angeführt.
14 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 5; 14(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 14(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. In Beispiel 5 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Das System von Beispiel 5 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch eine zylindrische Linse 6, die zwischen der Kollimatorlinse 2 und der Anordnung von Linsenspiegel 3 bereitgestellt ist, wie auch die Abbildungslinse 4. Die Eintrittsfläche S_c der zylindrischen Linse 6 ist eine zylindrische Oberfläche mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung und ihre Austrittsfläche S_d ist eine flache Ebene; die Eintrittsfläche S_e und die Austrittsfläche S_f der Abbildungslinse 4 sind jeweils als torische Oberfläche ausgebildet. Die zylindrische Linse 6 empfängt den Strahl, der durch die Kollimatorlinse 2 kollimiert wurde.
In Beispiel 5 ist die zylindrische Linse 6 vor der Anordnung drehender Linsenspiegel 3 bereitgestellt, und der Strahl der von der Kollimatorlinse 2 ausgeht, wird nur in der Nebenabtastrichtung nahe der Reflexionsfläche S₂ jedes kontaktierenden Linsenspiegels 3 fokussiert, um ein Linienbild zu bilden, wodurch eine "konjugierende" Neigungskorrekturoptik konstruiert wird, in der jede der Reflexionsflächen S₂ und die Bildebene 5 miteinander in dem Schnitt konjugieren, der in der Nebenabtastrichtung gebildet wird. Diese Optik ist zu einer präzisen optischen Abtastung imstande, die im Wesentlichen frei von Ungleichmäßigkeiten in der Zeilenabstandseffizienz ist.
In der Folge sind die Daten typischer optischer Spezifikationen des Systems gemäß Beispiel 5 dargestellt.
2ω = 41,6°.
15 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit dem System von Beispiel 5 erhalten werden.
BEISPIEL 6
Beispiel 6 bezieht sich auf ein System, das nicht nur den drehenden Linsenspiegel und die Abbildungslinse, sondern auch eine zylindrische Linse enthält, die eine Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung hat und vor dem drehenden Linsenspiegel bereitgestellt ist, wobei konvergierendes Licht in die zylindrische Linse gestrahlt wird.
Einzelheiten dieses Systems sind in der Folge angeführt.
16 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 6; 16(a) bezieht sich die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 16(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. In Beispiel 6 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Das System von Beispiel 6 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch die zylindrische Linse 6, die zwischen der Kollimatorlinse 2 und der Anordnung von Linsenspiegeln 3 bereitgestellt ist, wie auch die Abbildungslinse 4. Die Eintrittsfläche S_c der zylindrischen Linse 6 ist eine zylindrische Oberfläche mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung und ihre Austrittsfläche S_d ist eine flache Ebene; die Eintrittsfläche S_e und die Austrittsfläche S_f der Abbildungslinse 4 sind jeweils als torische Oberfläche ausgebildet, so dass ein Schnitt in der Hauptabtastrichtung kein Kreisbogen ist, und ihre Austrittsfläche S_f ist als torische Oberfläche ausgebildet. Der Strahl, der von dem Halbleiterlaser 1 ausgegeben wird und durch die Kollimatorlinse 2 gegangen ist, ist nicht vollständig parallel, sondern etwas konvergent, und die zylindrische Linse 6 empfängt einen solchen leicht konvergenten Lichtstrahl.
In Beispiel 6 ist die zylindrische Linse 6 vor der Anordnung drehender Linsenspiegel 3 bereitgestellt, und der Strahl, der von der Kollimatorlinse 2 ausgeht, wird nur in der Nebenabtastrichtung nahe der Reflexionsfläche S₂ jedes kontaktierenden Linsenspiegels 3 fokussiert, um ein Linienbild zu bilden, wodurch eine "konjugierende" Neigungskorrekturoptik konstruiert wird, in der jede der Reflexionsflächen S₂ und die Bildebene 5 miteinander in dem Schnitt konjugieren, der in der Nebenabtastrichtung gebildet wird. Diese Optik ist zu einer präzisen optischen Abtastung imstande, die im Wesentlichen frei von Ungleichmäßigkeiten in der Zeilenabstandseffizienz ist. Ein weiteres Merkmal von Beispiel 6 ist, dass ein konvergenter Strahl in die zylindrische Linse 6 einfällt, und dies bewirkt eine Verringerung der Brechkraft der Abbildungslinse 4 in ihrer Dicke um ein ausreichendes Maß, um die Kosten ihrer Herstellung zu senken. Dies bietet dann einen weiteren Vorteil, wenn die Abbildungslinse 4 aus einem Harzmaterial gebildet ist; das heißt, die innere Verzerrung und andere Defekte bei dem Harz, die in dem Formungsvorgang auftreten, haben nur geringe Auswirkungen auf die optische Leistung des Systems und gleichzeitig kann die Formungszeit verkürzt werden.
In der Folge sind die Daten typischer optischer Spezifikationen des Systems gemäß Beispiel 6 dargestellt.
ω = 37,6°.
17 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit dem System von Beispiel 6 erhalten werden.
BEISPIEL 7
Beispiel 7 bezieht sich auf ein System, das den drehenden Linsenspiegel, die zylindrische Linse, die eine Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung hat und vor dem drehenden Linsenspiegel bereitgestellt ist, die erste Abbildungslinse und die zweite Abbildungslinse, die eine zylindrische Linse mit einer Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung ist und nahe der Bildebene bereitgestellt ist, enthält. Einzelheiten dieses Systems sind in der Folge angeführt.
18 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 7; 18(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 18(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. In Beispiel 7 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Das System von Beispiel 7 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch die zylindrische Linse 6, die zwischen der Kollimatorlinse 2 und der Anordnung von Linsenspiegeln 3 bereitgestellt ist, wie auch die erste Abbildungslinse 41 und die zweite Abbildungslinse 42. Die Eintrittsfläche S_c der zylindrischen Linse 6 ist eine zylindrische Oberfläche mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung und ihre Austrittsfläche S_d ist eine flache Ebene; die Eintrittsfläche S_e und die Austrittsfläche S_f der ersten Abbildungslinse 41 sind beide eine sphärische Oberfläche; die Eintrittsfläche S_g der zweiten Abbildungslinse 42 ist eine zylindrische Oberfläche mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung und ihre Austrittsfläche Sh ist als flache Ebene ausgebildet. Die zylindrische Linse 6 empfängt den Strahl, der durch die Kollimatorlinse 2 kollimiert wurde.
In Beispiel 7 ist die zylindrische Linse 6 vor der Anordnung drehender Linsenspiegel 3 bereitgestellt, und der Strahl, der von der Kollimatorlinse 2 ausgeht, wird nur in der Nebenabtastrichtung nahe der Reflexionsfläche S₂ jedes kontaktierenden Linsenspiegels 3 fokussiert, um ein Linienbild zu bilden, wodurch eine "konjugierende" Neigungskorrekturoptik konstruiert wird, in der jede der Reflexionsflächen S₂ und die Bildebene 5 miteinander in dem Schnitt konjugieren, der in der Nebenabtastrichtung gebildet wird. Diese Optik ist zu einer präzisen optischen Abtastung imstande, die im Wesentlichen frei von Ungleichmäßigkeiten in der Zeilenabstandseffizienz ist. Ein weiteres Merkmal von Beispiel 7 ist, dass zwei Abbildungslinsenelemente verwendet werden und somit zufrieden stellende optische Eigenschaften erreicht werden, selbst wenn die derart gebildeten Linsenoberflächen weder asphärische Oberflächen mit Rotationssymmetrie noch torische Oberflächen sind. Somit können alle Linsen bei vergleichsweise geringen Kosten hergestellt werden, selbst wenn sie aus Glas bestehen, und daher kann eine präzise und beständige Abtastoptik bei geringen Kosten gebildet werden, wobei die Eigenschaften des Glases im vollsten Ausmaß genutzt werden.
In der Folge sind die Daten typischer optischer Spezifikationen des Systems gemäß Beispiel 7 dargestellt.
ω = 19,9°.
19 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit dem System von Beispiel 7 erhalten werden; offensichtlich werden Abbildungsfehler so wirksam korrigiert wie in Beispiel 5 und 6.
In einer modifizierten Version von Beispiel 7 kann die zweite Abbildungslinse 42, die eine längliche zylindrische Linse ist, derart gekrümmt sein, dass der Abstand zu der Bildebene 5 zwischen der Mitte der Abtastung und einem Rand davon variiert; diese Modifizierung bewirkt eine weitere Verbesserung der Abbildungsleistung der Optik.
Die vorangehende Beschreibung der Beispiele 1 bis 7 geht davon aus, dass der oder die drehende(n) Linsenspiegel bei konstanter Geschwindigkeit drehen, aber es sollte offensichtlich sein, dass diese Beispiele auch leicht in anderen Fällen ausgeführt werden können, wie in jenen, in welchen der oder die Linsenspiegel sinusförmigen Schwingungen um die Rotationsachse unterworfen sind. Die Beispiele 1 bis 7 sind für einen Betrieb bei einer bestimmten Wellenlänge geplant, aber es sollte verständlich sein, dass nur geringfügige Modifizierungen notwendig sind, um vergleichbare Ergebnisse mit Strahlen in einem breiten Spektrum von Wellenlängen zu erhalten, einschließlich des sichtbaren Bereichs, der IR-, UV- und Röntgenstrahlen.
Die Strahlabtastungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung mit Bildaufzeichnungsvorrichtungen (z.B. Laserdruckern, Digitalkopierern, Telefaxgeräten und Laserabtastanzeigen), Bildeingabevorrichtungen (z.B. Scannern) oder optischen Markierungslese-Laserscannern und Oberflächenprüfungs-Laserscannern geeignet.
Wie auf den vorangehenden Seiten beschrieben wurde, wird gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung der drehende Linsenspiegel, der ein optisches Element mit einer Reflexionsfläche wie auch einer Eintrittsfläche und einer Austrittsfläche ist, die nur über eine Brechkraft in der Hauptabtastrichtung verfügen, in Drehung versetzt und dadurch kann ein einfallender Lichtstrahl zur Abtastung durch das optische Element an sich abgelenkt werden. Ferner ermöglicht die Verwendung einer zylindrischen Oberfläche mit Brechkraft nur in der Hauptabtastrichtung die Herstellung des drehenden Linsenspiegels aus Glas mit hoher Präzision und bei geringen Kosten.
In einer bevorzugten Ausführungsform können zwei Abbildungslinsenelemente verwendet werden und in diesem Fall werden zufrieden stellende optische Eigenschaften selbst dann erreicht, wenn die gebildeten Linsenoberflächen weder asphärische Oberflächen mit Rotationssymmetrie noch torische Oberflächen sind. Somit können alle Linsen bei vergleichsweise geringen Kosten hergestellt werden, selbst wenn sie aus Glas bestehen, und daher kann eine präzise und beständige Abtastoptik bei geringen Kosten gebildet werden, während die Eigenschaften des Glases im vollsten Ausmaß genutzt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann eine "abschwächende" Neigungskorrekturoptik unter Verwendung einer zylindrischen Linse gebildet werden, die nur in der Nebenabtastrichtung über Brechkraft verfügt und nahe der Bildebene bereitgestellt ist; als Alternative kann eine "konjugierende" Neigungskorrekturoptik unter Verwendung einer zylindrischen Linse gebildet werden, die nur in der Nebenabtastrichtung über Brechkraft verfügt und vor dem drehenden Linsenspiegel angeordnet ist. Diese Optiken tragen zu der Herstellung eines präzisen Strahlscanners bei, der frei von dem Problem ungleichmäßiger Abtastabstände ist.
Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur die Anzahl teurer optischer Teile, die verwendet werden müssen, verringert, sondern es kann gleichzeitig auch die Präzision der optischen Teile verbessert werden, wodurch die beiden Anforderungen einer Strahlabtastungsvorrichtung nach einer Verringerung der Größe und Kosten wie auch nach einer höheren Auflösung gleichzeitig erfüllt werden können.
In der Folge sind mehrere Beispiele, die den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfüllen können, beschrieben.
Das grundlegende Konzept des optischen Scanners gemäß diesem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass mehrere Linsenspiegel als Einheit durch einen Antriebsmechanismus, wie einen Motor, um eine Rotationsachse gedreht werden; als Ergebnis geht ein einfallender Lichtstrahl durch jeden der drehenden Linsenspiegel, wodurch es möglich wird, mehr als einen Abtastzyklus pro Umdrehung der Rotationsachse auszuführen. Wenn mehrere drehende Linsenspiegel verwendet werden sollen, tritt unvermeidlich eine Ungleichmäßigkeit im Zeilenabstand aufgrund des Fehlers in der Montage einzelner Linsenspiegel äuf (der allgemein als "Neigung" bezeichnet wird); gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einer optischen Abtastungsvorrichtung, die mehrere drehende Linsenspiegel verwendet, jede Ungleichmäßigkeit im Zeilenabstand durch optische Mittel korrigiert werden.
20 zeigt ein typisches Beispiel eines Laserscanners, der die Optik der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein Lichtstrahl, der von einem Halbleiterlaser 1 (einer Lichtquelle) ausgeht, wird durch eine Kollimatorlinse 2 kollimiert. Der Strahl fällt auf die Austrittsfläche S₁ eines drehenden Linsenspiegels 3; der Strahl wird dann von der Reflexionsfläche S₂ des Linsenspiegels reflektiert und tritt aus diesem durch die Austrittsfläche S₃. Die Eintrittsfläche S₁ und die Strahlaustrittsfläche S₃ werden derart eingerichtet, dass der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, durch diese Flächen in einer normalen Richtung geht; andererseits wird die Reflexionsfläche S₂ derart eingerichtet, dass der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, auf die Reflexionsfläche S₂ in einem Winkel von 90° oder weniger fällt. Zwei Linsenspiegel 3 identischer Form werden verwendet und sind symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse 0 derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind; die derart zusammengefügten Linsenspiegel 3 drehen als Einheit zur Ausführung von zwei optischen Abtastungszyklen pro Umdrehung. Die Rotationsachse 0 der Spiegelanordnung ist in jeder Reflexionsfläche S₂ enthalten und geht durch den Reflexionspunkt des Strahls, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist. Der einfallende Lichtstrahl wird abgelenkt, während die Anordnung von Linsenspiegeln 3 dreht, und der abgelenkte Lichtstrahl geht durch eine Abbildungslinse 4 zur Bildung eines Flecks auf der Bildebene 5.
Ein Wort muss hier zur Neigung der Abtastoptik gesagt werden, die einen drehenden Linsenspiegel verwendet. wenn die zu beachtende Neigung in dem drehenden Linsenspiegel auftritt, muss nicht nur die Neigung seiner Reflexionsfläche, sondern auch die Neigung der Eintritts- und Austrittsflächen berücksichtigt werden. In einer neuerlichen Besprechung der Neigung des drehenden Linsenspiegels wird das Koordinatensystem X-Y-Z an dem Linsenspiegel 3 definiert, wie in 21 dargestellt ist; die X-Achse ist eine gerade Linie, die senkrecht zu der Hauptabtastebene liegt und die in der Reflexionsfläche S₂ enthalten ist; die Y-Achse ist eine gerade Linie, die parallel zu der Hauptabtastebene liegt und in der Reflexionsfläche S₂ enthalten ist; die Z-Achse ist eine Linie, die senkrecht zu der Reflexionsfläche S₂ liegt; und die X-Achse fällt mit der Rotationsachse zusammen. Es wird hier angenommen, dass der Linsenspiegel 3 um einen Winkel ω um die X-Achse und um einen Winkel ϕ um die Y-Achse dreht; dann, wie aus 21 ersichtlich ist, ist die Neigung des Linsenspiegels 3 biaxial und kann infolge einer Drehung um die Y-Achse und Z-Achse auftreten. Im Falle der Drehung um die Y-Achse neigen sich die Eintrittsfläche S₁, Reflexionsfläche S₂ und Austrittsfläche S₃, während im Falle der Drehung um die Z-Achse die Reflexionsfläche S₂ sich nicht neigt und sich nur die Eintrittsfläche S₁ und die Austrittsfläche S₃ neigen. Die Ablenkung des Strahls, die in der Nebenabtastrichtung infolge der Neigung der Eintrittsfläche S₁ und der Austrittsfläche S₃ auftritt, ist im Vergleich zu der Wirkung der Neigung der Reflexionsfläche S₂ so gering, dass bei Betrachtung der Neigung des Linsenspiegels 3 nur die Neigung um die Y-Achse berücksichtigt werden muss, wenn der Neigungswinkel nicht sehr groß ist. In der folgenden Besprechung der Neigung des drehenden Linsenspiegels wird daher nur die Neigung um die Y-Achse berücksichtigt, und die Neigung um die Y-Achse wird der Neigung des Linsenspiegels gleichgesetzt, wobei der Rotationswinkel derselbe ist wie der Neigungswinkel ϕ.
Unter Bezugnahme auf 22, in welcher eine Schnittansicht der Abtastoptik unter Verwendung des Linsenspiegels, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse dargestellt ist, folgt nun eine Besprechung, wie der optische Pfad eines einfallenden Lichtstrahls durch die Neigung des drehenden Linsenspiegels beeinflusst wird. 22(a) zeigt die gesamte Optik und 22(b) zeigt vergrößert den drehenden Linsenspiegel. Wenn der Linsenspiegel 3 um die Y-Achse durch den Winkel ϕ dreht, wobei der Mittelpunkt bei P liegt (d.h., dem Schnittpunkt zwischen der Reflexionsfläche S₂ und der optischen Achse), drehen sowohl die Eintrittsfläche S₁ als auch die Austrittsfläche S₃, wobei der Mittelpunkt bei Punkt P liegt. Wenn der Winkel ϕ klein genug ist, können die Winkel, um welche die optische Achse durch die Eintrittsfläche S₁ und die Strahlaustrittsfläche S₃ in Bezug auf die Hauptabtastebene dreht, durch ϕsinγ beziehungsweise –ϕsinγ genähert werden, wie aus einer Schnittzeichnung ersichtlich ist, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde. Wie aus 21 hervorgeht, bezieht sich das Symbol γ auf den Winkel, den die optische Achse durch die Eintrittsfläche S₁ oder Austrittsfläche S₃ mit der Reflexionsfläche S₂ bildet. Wie durch die gestrichelten Linien in 22(b) dargestellt ist, wird der Strahl, der in den neigenden Linsenspiegel 3 gestrahlt wird, konsekutiv in die Nebenabtastrichtung abgelenkt, zunächst durch die Neigung der Eintrittsfläche S₁, dann durch die Neigung der Reflexionsfläche S₂ um den Winkel 2ϕ und schließlich durch die Neigung der Austrittsfläche S₃, bevor er aus dem Linsenspiegel 3 austritt, wobei er einen Winkel ϕ' in Bezug auf die optische Achse bildet. Auf Grund der ablenkenden Wirkung der Eintrittsfläche S₁ und der Austrittsfläche S₃ verhält sich der Strahl, der aus dem Linsenspiegel 3 austritt, als ob er nicht am Punkt P der Reflexionsfläche S₂ abgelenkt worden wäre, sondern an dem Schnittpunkt P' zwischen dem Hauptstrahl des Strahls und der optischen Achse; somit ist Punkt P' der scheinbare Punkt der Ablenkung durch den neigenden Linsenspiegel 3.
Es wird nun der Fall betrachtet, wo der neigende Linsenspiegel um die X-Achse dreht, um den einfallenden Strahl zur Abtastung der Bildebene abzulenken. 23(a) ist eine Schnittansicht des Linsenspiegels, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und zeigt, bei fixiertem Linsenspiegel, den Hauptstrahl des Strahls, der auf einen Rand gerichtet ist, den Mittelpunkt und den anderen Rand der Abtastung auf der Bildebene, während der Linsenspiegel um die X-Achse in Winkeln –ω, 0 und ω dreht. Als Reaktion auf die Drehung des Linsenspiegels 3 fällt der Hauptstrahl des einfallenden Strahls auf die Eintrittsfläche S₁, wobei er die Winkel –ω, 0 und ω mit der optischen Achse durch die Eintrittsfläche S₁ bildet, und der Hauptstrahl wird entsprechend durch die Reflexionsfläche S₂ an Punkten P₁, P₀ beziehungsweise P₂ abgelenkt, und tritt danach durch die Austrittsfläche S₃ aus. Der in 23(a) dargestellte Linsenspiegel kann in einem Schnitt in der Nebenabtastrichtung geschnitten und entlang der optischen Achse ausgebreitet werden; das Ergebnis ist in 23(b) dargestellt, aus der hervorgeht, dass sich der Ablenkungspunkt P auf der optischen Achse von P₁ durch P₀ zu P₂ bewegt, während sich der Rotationswinkel des Linsenspiegels von –ω über 0 zu ω ändert . Wie bereits unter Bezugnahme auf 22(b) erklärt wurde, wenn sich der Linsenspiegel 3 neigt, wird der Strahl, der auf den Linsenspiegel 3 fällt, durch die Eintrittsfläche S₁ abgelenkt, dann an Punkt P₁, P₀ oder P₂ auf der Reflexionsfläche S₂ abhängig von der Drehung des Linsenspiegels 3 um einen Winkel 2ϕ abgelenkt, und schließlich durch die Austrittsfläche S₃ abgelenkt, bevor es aus dem Linsenspiegel 3 tritt. Der austretende Strahl verhält sich, als ob er an dem Neigungspunkt P₁', P₀' oder P₂' abgelenkt worden wäre, welcher der Schnittpunkt seines Hauptstrahls mit der optischen Achse ist. Daher verschiebt sich der Punkt der Neigungsablenkung als Reaktion auf die Drehung des Linsenspiegels und infolgedessen verschiebt sich der scheinbare Punkt der Neigungsablenkung des Strahls, der aus dem Linsenspiegel tritt, deutlich als Reaktion auf dessen Drehung. In der folgenden Besprechung wird eine solche Änderung des Punktes der Neigungsablenkung als die "Verschiebung des Punktes der Neigungsablenkung" bezeichnet und das Ausmaß einer solchen Änderung wird als Δd angegeben (das Ausmaß der Verschiebung des Punktes der Neigungsablenkung); zusätzlich wird das Ausmaß der Änderung des scheinbaren Punktes der Neigungsablenkung des Strahls, der aus dem Linsenspiegel austritt, als Δd' bezeichnet (das Ausmaß der Verschiebung des scheinbaren Punktes der Neigungsablenkung).
Abtastoptiken, die solche Verschiebungen des Punktes der Neigungsablenkung beinhalten, sind anders als die Abtastoptiken, die einen drehenden polygonalen Spiegel verwenden, der zuvor unter Bezugnahme auf 42 besprochen wurde; genauer gesagt, selbst wenn eine solche Optik so gebildet ist, dass sie die Bedingung für das konjugierte Verhältnis zwischen der Lichtquelle, den Ablenkungsflächen und der Bildebene erfüllt, bewirkt die Verschiebung der Ablenkungsflächen eine Abweichung vom konjugierten Punkt, wodurch es schwierig wird, eine vollständige Korrektur der Neigung zu garantieren. In diesem Fall wird ΔX oder der Fehler im Zeilenabstand auf der abzutastenden Bildebene durch die folgende Gleichung ausgedrückt: ΔX = m·Δd'·ϕ' (1)wobei ϕ' der Winkel ist, den der Hauptstrahl des Strahls, der aus dem Linsenspiegel austritt, mit der optischen Achse in einer Ebene bildet, welche die Hauptabtastebene im rechten Winkel schneidet; m die optische Vergrößerung der Abbildungslinse in der Nebenabtastrichtung ist; und Δd' das Ausmaß der Verschiebung des scheinbaren Punktes der Neigungsablenkung des Strahls ist, der aus dem Linsenspiegel austritt.
In Gleichung (1) ist ϕ' primär von dem Neigungswinkel ϕ des Linsenspiegels abhängig und der Neigungswinkel φ wird seinerseits durch die mechanische Präzision bei der Montage des Linsenspiegels bestimmt. Es ist daher klar, dass zur Verringerung von ΔX, oder des Fehlers im Zeilenabstand, durch optische Mittel, entweder Δd' (das Ausmaß der Verschiebung des Punktes der Neigungsablenkung) oder m (die optische Vergrößerung der Abbildungslinse in der Nebenabtastrichtung) verringert werden muss. Somit können die Methoden zur Verringerung von ΔX (dem Fehler im Zeilenabstand) in der Abtastoptik, die den Linsenspiegel verwendet, in zwei Kategorien unterteilt werden, eine, die vorwiegend von der Abnahme in Δd abhängig ist (dem Ausmaß der Verschiebung des Punktes der Neigungsablenkung), und eine andere, die vorwiegend von der Abnahme in m (der optischen Vergrößerung der Abbildungslinse) abhängig ist. Die zwei Methoden sind in der Folge genauer beschrieben.
24 zeigt die erste Methode zur Verringerung von ΔX durch Verringerung der Verschiebung des Punktes der Neigungsablenkung. 24(a) ist eine Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, der Abtastoptik unter Verwendung des Linsenspiegels, der im Verlauf entlang der optischen Achse dargestellt ist. Der Linsenspiegel, der mit 3 bezeichnet ist, hat eine Eintrittsfläche S₁, die in der Nebenabtastrichtung konvex ist, und eine Austrittsfläche S₃, die in der Nebenabtastrichtung konkav ist; der Linsenspiegel 3 hat insgesamt eine negative Brechkraft in der Nebenabtastrichtung. Wie dargestellt, werden die parallelen Lichtstrahlen, die in den Linsenspiegel 3 eintreten, durch die positive Brechkraft der Eintrittsfläche S₁ konvergiert und dann durch die negative Brechkraft der Austrittsfläche S₃ divergiert; der divergente Strahl geht durch die Abbildungslinse, um einen Fleck auf der Bildebene zu erzeugen. In diesem Fall sind die Strahlen auf keinen Punkt zwischen der Kollimatorlinse und der Bildebene fokussiert und somit haben sie keinen konjugierten Punkt mit der Bildebene. Dennoch verhalten sich die Strahlen, die aus dem Linsenspiegel 3 treten, als ob sie an einem Punkt Q fokussiert wären, wo sie die optische Achse schneiden, wenn sie zu dem Linsenspiegel 3 verlängert werden; somit kann der Punkt Q als der scheinbare konjugierte Punkt in Bezug auf die Bildebene betrachtet werden. Wenn der Linsenspiegel 3, wie durch gestrichelte Linien angezeigt ist, sich um den Winkel ϕ neigt, wird der Hauptstrahl des Strahls, der in den Linsenspiegel 3 eintritt, von der Reflexionsfläche S₂ durch den Winkel 2ϕ abgelenkt, dann durch die Austrittsfläche S₃ zur Bildung eines großen Winkels mit der optischen Achse abgelenkt, bevor er aus dem Linsenspiegel 3 austritt. Der Punkt P', an dem eine Verlängerung nach hinten des Hauptstrahls des austretenden Strahls die optische Achse schneidet, kann als der scheinbare Punkt der Neigungsablenkung des Linsenspiegels 3 betrachtet werden und dieser Punkt liegt nahe dem oben genannten scheinbaren konjugierten Punkt Q. Es wird auch der Fall angenommen, wo der Linsenspiegel 3 um die X-Achse dreht und der Punkt der Neigungsablenkung zu P₁ oder P₂ verschoben ist, wie in 24(b) dargestellt ist. Wie dargestellt, liegt der scheinbare Punkt der Neigungsablenkung des Strahls, der aus dem Linsenspiegel 3 austritt, bei P₁' oder P₂', dem Schnittpunkt zwischen dem Hauptstrahl des relevanten Strahls und der optischen Achse. Aus 24(b) ist erkennbar, dass, da die Austrittsfläche S₃ eine negative Brechkraft hat, das Ausmaß der Verschiebung des scheinbaren Punktes der Neigungsablenkung geringer als das Ausmaß der Verschiebung des tatsächlichen Punktes der Neigungsablenkung ist (Δd' < Δd). Somit kann durch eine Konstruktion des Linsenspiegels 3 in derartiger Weise, dass seine Brechkraft in die Nebenabtastrichtung negativ ist und dass die Austrittsfläche S₃ im Schnitt in der Nebenabtastrichtung konkav ist, der Wert von Δd, oder das Ausmaß der Abweichung des Punktes der Neigungsablenkung vom konjugierten Punkt, verringert werden, und Gleichung (1) zeigt, dass dies zu der Verringerung in ΔX oder dem Fehler im Zeilenabstand führt.
Die zweite Methode zur Verringerung von ΔX durch Verringerung der optischen Vergrößerung der Abbildungslinse in der Nebenabtastrichtung ist in der Folge unter Bezugnahme auf 25 beschrieben, welche die Abtastoptik unter Verwendung des Linsenspiegels, betrachtet in die Nebenabtastrichtung, zeigt, wobei der Linsenspiegel 3 im Verlauf entlang der optischen Achse dargestellt ist. Der Linsenspiegel 3 hat eine Eintrittsfläche S₁, die in der Nebenabtastrichtung konvex ist, und eine Austrittsfläche S₃, die in der Nebenabtastrichtung konkav ist; der Linsenspiegel 3 hat eine insgesamt positive Brechkraft in der Nebenabtastrichtung. Die Abbildungslinse besteht aus zwei Elementen, dem ersten Element 41, das nahe dem Linsenspiegel 3 angeordnet ist, und dem zweiten Element 42, das nahe der Bildebene angeordnet ist. Wie dargestellt, wird der parallele Strahl, der in den drehenden Linsenspiegel 3 eintritt, durch seine positive Brechkraft fokussiert, um ein Bild an Punkt Q vor der ersten Abbildungslinse 41 zu bilden; danach geht der Strahl durch die erste Abbildungslinse 41 und die zweite Abbildungslinse 42, um einen Fleck auf der Bildebene 5 zu bilden. Somit kann durch die Bildung der Abbildungslinseneinheit aus zwei Elementen ihre optische Vergrößerung m bei einem kleinen wert eingestellt werden, und die Gleichung (1) zeigt, dass dies zu einer Verringerung in ΔX oder dem Fehler im Zeilenabstand führt.
Bei einer solchen Optik, die nicht imstande ist, eine vollständige Korrektur des Fehlers im Zeilenabstand auf Grund einer Neigung der Ablenkungsflächen durchzuführen, ist es notwendig, die Wirkung der Neigungskorrektur zu quantifizieren, und die optische Konstruktion muss so sein, dass der quantifizierte Wert entweder größer oder kleiner als ein Schwellwert ist. Zu diesem Zweck wird die Wirkung der Neigungskorrektur in der Optik als der Faktor der Neigungskorrektur H quantifiziert, der definiert ist durch: H = ΔX(ϕ)/ΔX0(ϕ) = ΔX(ϕ)/2L/ϕ (2)wobei ϕ der Neigungswinkel des drehenden Linsenspiegels ist, ΔX(ϕ) ein maximaler Abstandsfehler ist, der in der Nebenabtastrichtung auftritt, wenn sich der drehende Linsenspiegel in der Optik um einen Winkel ϕ neigt; L der Abstand vom Rotationsmittelpunkt des Linsenspiegels zu der Bildebene ist; und ΔX₀(ϕ) der Abstandsfehler ist, der in der Nebenabtastrichtung auftritt, wenn sich eine Ablenkungsfläche um einen Winkel ϕ in dem Fall neigt, wenn sich keine Linsen oder anderen optischen Elemente zwischen der Ablenkungsfläche und der Bildebene befinden und in der fraglichen Situation ΔX(ϕ) gleich 2L·ϕ. Wenn der Neigungswinkel ϕ angemessen klein ist, ist das Verhältnis zwischen ΔX(ϕ) und ϕ linear, wie durch die Gleichung (1) ausgedrückt wird, und der Faktor der Neigungskorrektur H ist eine Funktion der Optik, die den drehenden Linsenspiegel enthält, die von dem Neigungswinkel ϕ unabhängig ist.
Zur Schätzung des zulässigen Wertes des Faktors der Neigungskorrektur H simulierten die gegenwärtigen Erfinder Druckoperationen mit Abtastoptiken bei verschiedenen H-Werten. Die Bedingungen der Simulierungen waren wie folgt:
Faktor der Neigungskorrektur, H: 0, 0,25, 0,50, 0,75
Neigungswinkel ϕ: 10 sec
Auflösung: 300 dpi
Fleckdurchmesser: 100 μm
Optische Pfadlänge: 200 mm
Druckmuster: voll schwarz
Anzahl von Ablenkungsflächen: 2
Der tatsächliche Wert des Neigungswinkels φ wird durch den Winkelfehler bestimmt, den die Befestigungsfläche des Linsenspiegels an dem Ablenkungsmotor in Bezug auf die Rotationsachse hat. Da die Grenzwerte bezüglich der Präzision in der Befestigungsfläche an dem Motor für gewöhnlich in der Größenordnung von ± 10 sec sind, wurde der Neigungswinkel ϕ in der Simulierung bei 10 sec eingestellt. 26 zeigt vergrößert die Ergebnisse des simulierten Drucks, der unter den oben spezifizierten Bedingungen durchgeführt wurde. Wie aus 26 erkennbar ist, wenn der Faktor der Neigungskorrektur H 0,5 oder größer ist, bildet sich eine unbelichtete Fläche zwischen benachbarten Flecken in der Nebenabtastrichtung nach zwei Abtastzyklen und diese Fläche erscheint in dem Bild als weiße Linie in der Hauptabtastrichtung. Solche weißen Linien verringern die Bilddichte und verschlechtern die Bildqualität deutlich. Auf der Basis dieser Ergebnisse des simulierten Drucks führte der Rechtsnachfolger einen Druckversuch unter denselben Simulationsbedingungen aus, mit der Ausnahme, dass der Faktor der Neigungskorrektur auf etwa 0,5 eingestellt wurde, was gleich etwa 10 μm im Sinne des Zeilenabstandsfehlers ΔX ist. Als Ergebnis zeigte sich, dass, solange keine weißen Linien in der Hauptabtastrichtung erschienen, keine deutliche Verschlechterung in der Bildqualität erkannt wurde. Dies ist der Fall, da Zeilenabstandsfehler von etwa 10 μm geringer als das Auflösungsvermögen des normalen menschlichen Auges sind und daher mit unbewaffnetem Auge nicht erkannt werden können. Auf Grund dieser Beobachtung könnte geschlossen werden, dass ein Bild ohne praktische Probleme erzeugt werden kann, wenn der Faktor der Neigungskorrektur H nicht mehr als 0,5 ist; für den Zweck der vorliegenden Erfindung wird somit der zulässige Wert von H bei 0,5 oder weniger eingestellt.
Der drehende Linsenspiegel 3 und die Abbildungslinse 4 können entweder aus optischem Glas oder Harzen hergestellt werden. Wenn jedoch die herzustellenden Linsen asphärisch in der Eintritts- oder Austrittsfläche sind, bestehen sie vorzugsweise aus optischen Harzen, da deren Herstellung bei geringeren Kosten möglich ist.
Auf den folgenden Seiten werden mehrere spezifische Beispiele des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung gemeinsam mit ihren optischen Spezifikationen und Abbildungsfehlern, die sich in ihnen entwickeln, beschrieben. In jedem dieser Beispiele wird angenommen, dass der Linsenspiegel um einen Winkel 2ω vom Beginn bis zum Ende eines Abtastzyklus dreht. Verschiedene optische Spezifikationen sind durch die folgenden Symbole dargestellt: r_i für den Krümmungsradius einer i-ten Oberfläche S_i; d_i für den auf der Achse liegenden Abstand einer i-ten Oberfläche zu der nächsten Oberfläche; wenn eine Oberfläche von Interesse torisch ist, werden ihre Krümmungsradien in der Neben- und Hauptabtastrichtung durch r_ix beziehungsweise r_iy bezeichnet; wenn die Form eines Schnitts der torischen Oberfläche, der in die Haupt- oder Nebenabtastrichtung erstellt wird, kein Kreisbogen ist, werden die asphärischen Koeffizienten K_iy, A_iy und B_iy (für den Schnitt in die Hauptabtastrichtung) oder K_ix, A_ix und B_ix (für den Schnitt in die Nebenabtastrichtung) durch die folgende Gleichung dargestellt:
wobei z_i der Abstand ist, durch den der Punkt auf der asphärischen Oberfläche, wo die Höhe von der optischen Achse h ist, von der Ebene tangential zu dem Vertex der asphärischen Oberfläche abweicht; n₁ und n₂ sich jeweils auf den Brechungsindex eines drehenden Linsenspiegels beziehen. Die Eintritts- und Austrittsflächen der Abbildungslinse sind mit S_c beziehungsweise S_d bezeichnet und ihr Brechungsindex mit n_c. In einigen Beispielen umfassen die Daten optischer Spezifikationen eine zylindrische Linse, die zwischen der Kollimatorlinse und dem drehenden Linsenspiegel bereitgestellt ist, eine zweite Abbildungslinse und einen torischen Reflexionsspiegel. In solchen Fällen sind die Eintritts- und Austrittsflächen der zylindrischen Linse, die Eintritts- und Austrittsflächen der zweiten Abbildungslinse und die torische Reflexionsfläche mit S_a, S_b, S_e, S_f beziehungsweise S_g bezeichnet und die Brechungsindizes der zylindrischen Linse und der zweiten Abbildungslinse sind mit n_a beziehungsweise n_e bezeichnet. Die Reflexionsfläche des drehenden Linsenspiegels ist eine flache Ebene. Das Symbol H bezeichnet den Faktor der Neigungskorrektur, der in den folgenden Beispielen auf verschiedene Werte eingestellt war.
In Bezug auf die Graphiken, welche Abbildungsfehlerkurven zeigen, ist die Feldkrümmung, die sich in der Hauptabtastrichtung entwickelt, durch gestrichelte Linien dargestellt, und jene, die sich in der Nebenabtastrichtung entwickelt, ist durch Volllinien dargestellt. In Bezug auf die Abtastungslinearität ist es im Falle einer fθ Linse üblich, die Abweichung der tatsächlichen Bildhöhe von dem Idealwert Y = fθ in Prozent anzugeben. In der vorliegenden Erfindung jedoch, wo sowohl die Eintritts- als auch Austrittsflächen des Linsenspiegels zur Drehung ausgebildet sind, ist die ideale Bildhöhe nicht gleich fθ und somit wird eine äquivalente Darstellungsmethode verwendet, nach der die Abweichung von der idealen Bildhöhe Y = ζθ in Prozent angegeben wird, wobei ζ die Änderung in, der Bildhöhe mit dem Rotationswinkel des Linsenspiegels für paraxiale Strahlen darstellt. In allen folgenden Beispielen ist die geplante Wellenlänge bei 780 nm eingestellt.
BEISPIEL 8
Beispiel 8 wird ausführlich beschrieben.
27 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 8; 27(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 27(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. 29 ist eine perspektivische Ansicht der Strahlabtastungsvorrichtung, die gemäß Beispiel 8 konstruiert ist. In Beispiel 8 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Die Eintrittsfläche S₁ und die Austrittsfläche S₃ jedes Linsenspiegels 3 sind beide torische Oberflächen und die gesamte Brechkraft der Linsenspiegeleinheit 3 ist in der Nebenabtastrichtung negativ. Das System von Beispiel 8 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch ein Abbildungslinsenelement 4. In der Folge sind die Daten optischer Spezifikationen einer typischen Konstruktion basierend auf Beispiel 8 dargestellt.
2ω = 40,834°.
29 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Konstruktion gemäß Beispiel 8 erhalten werden.
In Beispiel 8 ist die drehende Linsenspiegeleinheit 3 dazu ausgebildet, eine negative Brechkraft in der Nebenabtastrichtung zu haben, und daher verhalten sich die Strahlen, die aus der Austrittsfläche S₃ austreten, als ob der konjugierte Punkt innerhalb der Spiegeleinheit 3 läge; zusätzlich ist die Austrittsfläche S₃ in dem Schnitt in der Nebenabtastrichtung konkav und somit befindet sich der scheinbare Punkt der Neigungsablenkung in der Spiegeleinheit 3 nahe dem scheinbaren konjugierten Punkt und dies bewirkt effektiv eine Verringerung der Verschiebung des Ablenkungspunktes, selbst wenn die Linsenspiegeleinheit 3 um die Rotationsachse dreht. Schließlich kann der Faktor der Neigungskorrektur H auf nur 0,21 verringert werden. Wie aus den Graphiken von 29 erkennbar ist, wurde ferner die Feldkrümmung innerhalb von ± 1,0 mm gehalten und es war möglich, eine sehr präzise optische Abtastung mit einem Fleckdurchmesser von etwa 40 bis 50 μm bei einer Auflösung von etwa 600 bis 800 dpi durchzuführen. Die Abtastungslinearität war auch zufrieden stellend, wie durch Werte gezeigt wird, die 0,5 % nicht überschritten. Wie aus 28 hervorgeht, verwendet der optische Scanner von Beispiel 8 nur zwei kleine Arten optischer Elemente, um den Zweck einer Korrektur einer Verzerrung oder anderer Abbildungsfehler zu erfüllen, wie auch der Neigung der Ablenkungsflächen. Somit ist der optische Scanner sehr klein und erzeugt dennoch Bilder hoher Qualität, die nur sehr kleine Fehler im Zeilenabstand auf Grund der Neigung der Ablenkungsflächen aufweisen.
BEISPIEL 9
30 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 9; 30(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 30(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. 31 ist eine perspektivische Ansicht der Strahlabtastungsvorrichtung, die gemäß Beispiel 9 konstruiert ist. In Beispiel 9 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Die Eintrittsfläche S₁ und die Austrittsfläche S₃ jedes Linsenspiegels 3 sind beide torische Oberflächen und die gesamte Brechkraft der Linsenspiegeleinheit 3 ist in der Nebenabtastrichtung negativ. Das System von Beispiel 9 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch ein Abbildungslinsenelement 4. In der Folge sind die Daten optischer Spezifikationen einer typischen Konstruktion basierend auf Beispiel 9 dargestellt. In dem folgenden Datenblatt bezeichnet X_id das Ausmaß der Dezentrierung der Oberfläche S_i in der Nebenabtastrichtung und B_id bezeichnet den Winkel, um den die Oberfläche S_i um eine Achse dreht, welche die optische Achse in rechten Winkeln durch den Schnitt schneidet, der in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, wobei der Mittelpunkt an dem Schnittpunkt zwischen der Oberfläche S_i und der optischen Achse liegt.
2ω = 41,616°.
32 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Konstruktion gemäß Beispiel 9 erhalten werden Linsen, die in dem System von Beispiel 8 verwendet werden, werden für gewöhnlich durch Formen von Harzen hergestellt. Harze haben jedoch einen ernsthaften Nachteil, da sie im Vergleich zu Glas größere Schwankungen im Brechungsindex mit der Temperatur der Umgebung, in der sie verwendet werden, erfahren und die Abbildungsleistung der Kunststofflinse infolge der Schwankung in der Umgebung, in der das System verwendet wird, verschlechtert wird. In Beispiel 9 ist der torische Reflektorspiegel 4 mit einer konkaven Oberfläche dazu ausgebildet, für die Fokussierung von Strahlen verantwortlich zu sein, und dies garantiert, dass selbst wenn der Spiegel 4 aus einem Harz geformt ist, eine präzise optische Abtastvorrichtung konstruiert werden kann, die angesichts von Schwankungen in der Temperatur der Umgebung, in der das System verwendet wird, in der Abbildungsleistung keine Verschlechterung erfährt. Wenn, wie in Beispiel 9, ein Reflektorspiegel mit einer Krümmung einen Lichtstrahl, der in einem Winkel zu der optischen Achse durch den Reflektorspiegel eintritt, einlässt, ist die Abtastlinie, die auf der Bildebene gebildet wird, in der Nebenabtastrichtung gekrümmt. In Beispiel 9 jedoch wird dieses Problem einer Krümmung nicht nur durch das Einführen einer Dezentrierung in die optischen Oberflächen des Linsenspiegels 3 und des torischen Reflektorspiegels 4 korrigiert, sondern auch durch die Drehung dieser Oberflächen. Ferner, wie aus den Graphiken von 29 erkennbar ist, war die Feldkrümmung ± 1,5 mm und es war möglich, eine sehr präzise Abtastung bei einer Auflösung von etwa 600 dpi durchzuführen. Die Abtastungslinearität war ebenso zufriedenstellend, wie durch werte gezeigt wird, die 0,5 % nicht überstiegen. Kleine optische Scanner sind für gewöhnlich mit einem Strahlablenkungsspiegel ausgestattet, der in dem optischen Pfad von Strahlen zur Größenverringerung bereitgestellt ist. In dem System von Beispiel 9 dient der torische Reflektorspiegel auch als Strahlablenkungsspiegel und daher wird die Anzahl notwendiger Teile ausreichend verringert, um die Konstruktion einer kostengünstigen optischen Abtastvorrichtung zu ermöglichen.
BEISPIEL 10
33 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 10; 33(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 33(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. In Beispiel 10 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Die Eintrittsfläche S₁ und die Austrittsfläche S₃ jedes Linsenspiegels 3 sind beide torische Oberflächen. Das System von Beispiel 10 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch eine zylindrische Linse 6 mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung, die vor der Linsenspiegeleinheit 3 bereitgestellt ist, und ein Abbildungslinsenelement 4. In der Folge sind die Daten optischer Spezifikationen einer typischen Konstruktion basierend auf Beispiel 10 dargestellt.
2ω = 40,344°.
34 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Konstruktion gemäß Beispiel 10 erhalten werden In Beispiel 10 ist die zylindrische Linse 6 vor der Linsenspiegeleinheit 3 bereitgestellt, so dass die einfallenden Strahlen nur in der Nebenabtastrichtung konvergieren, bevor sie in die Linsenspiegeleinheit 3 eintreten. Optik, die einen drehenden Linsenspiegel verwendet, hat den Ablenkungspunkt innerhalb des Linsenspiegels 3; somit wird durch die Bereitstellung des konjugierten Punktes innerhalb des Linsenspiegels die Verschiebung des Punktes der Neigungsablenkung oder der Abstand zwischen dem Ablenkungspunkt und dem konjugierten Punkt klein genug, um die Wirksamkeit der Neigungskorrektur zu verstärken. Damit der konjugierte Punkt innerhalb der Linsenspiegeleinheit liegt, ohne die zylindrische Linse vor dem Linsenspiegel anzuordnen, muss die Eintrittsfläche des Linsenspiegels mit einem ziemlich kleinen Krümmungsradius in der Nebenabtastrichtung ausgebildet werden. Wenn jedoch die Eintrittsfläche einen extrem kleinen Krümmungsradius in der Nebenabtastrichtung hat, nehmen die Schwankungen im konjugierten Punkt in Übereinstimmung mit dem drehenden Linsenspiegel auf Grund der Differenz in dem Winkel des Strahleinfalls auf die Eintrittsfläche zu und dies erhöht die Verschiebung des Punktes der Neigungsablenkung, anstatt sie zu verringern. Als weiteres Problem, wenn der Krümmungsradius einer bestimmten Oberfläche im Vergleich zu anderen Oberflächen extrem klein ist, tritt eine Verschlechterung in den Abbildungsfehlern auf oder es ist notwendig, in der Präzision dieser bestimmten Oberfläche engere Toleranzen zu gewährleisten. In Beispiel 10 ist die zylindrische Linse 6 vor der Linsenspiegeleinheit 3 bereitgestellt und dadurch kann der konjugierte Punkt innerhalb der Linsenspiegeleinheit 3 bereitgestellt werden, ohne den Krümmungsradius der Eintrittsfläche S₁ der Linsenspiegeleinheit 3 ungebührlich zu verringern; somit kann der Faktor der Neigungskorrektur H auf etwa die Hälfte des Wertes von Beispiel 8 verringert werden und dies trägt zu einer verbesserten Wirksamkeit in der Neigungskorrektur bei. Als weiterer Vorteil ist der Lichtstrahl, der in die Linsenspiegeleinheit 3 eintritt, in der Nebenabtastrichtung schmal und somit kann die Linsenspiegeleinheit 3 in der Nebenabtastrichtung dünn genug ausgebildet werden, um die Kosten der Herstellung der Linsenspiegel 3 zu senken.
BEISPIEL 11
35 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 11; 35(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 35(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. In Beispiel 11 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Die Eintrittsfläche S₁ jedes Linsenspiegels 3 ist eine flache Ebene und die Austrittsfläche S₃ ist eine torische Oberfläche. Das System von Beispiel 11 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch eine zylindrische Linse 6 mit Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung, die vor der Linsenspiegeleinheit 3 bereitgestellt ist, wie auch eine erste Abbildungslinse 41 und eine zweite Abbildungslinse 42. In der Folge sind die Daten optischer Spezifikationen einer typischen Konstruktion basierend auf Beispiel 11 dargestellt.
2ω = 40,054°.
36 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Konstruktion gemäß Beispiel 11 erhalten werden.
In Beispiel 11 ist die zylindrische Linse 6 vor der Linsenspiegeleinheit 3 bereitgestellt. Die Bereitstellung der zylindrischen Linse 6 vor der Linsenspiegeleinheit 3 bietet den Vorteil, dass der konjugierte Punkt innerhalb der Linsenspiegeleinheit 3 angeordnet ist. Zusätzlich garantiert die flache Eintrittsfläche S₁ jedes Linsenspiegels 3, dass die Verschiebung des Punktes der Neigungsablenkung im Wesentlichen bei Null gehalten wird, selbst wenn die Linsenspiegeleinheit 3 um die Rotationsachse dreht. Folglich können die Lichtquelle 1, die Ablenkungsfläche S₂ und die Bildebene 5 optisch so gesteuert werden, dass sie das konjugierte Verhältnis in Beispiel 11 erfüllen und, wie im Falle der Neigungskorrekturoptik, die in herkömmlichen polygonalen Spiegeln verwendet wird, der Zeilenabstandfehler nahezu vollständig korrigiert werden kann. Als ein weiterer Vorteil erhöht die Bereitstellung von zwei Abbildungslinsenelementen den Freiheitsgrad im optischen Entwurf und aus den Graphiken von 35 ist ersichtlich, dass die Feldkrümmung innerhalb von ± 0,7 mm gehalten werden kann, so dass das System imstande ist, eine bessere Auflösung als 800 dpi zu erreichen. Die Abtastungslinearität ist ebenso zufrieden stellend, wie durch Werte gezeigt wird, die 0,8 % nicht überschreiten. Somit kann eine Abtastoptik hoher Präzision und Auflösung gemäß Beispiel 11 hergestellt werden.
BEISPIEL 12
37 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 12; 37(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 37(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. In Beispiel 12 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Die Eintrittsfläche S₁ und die Austrittsfläche S₃ jedes Linsenspiegels 3 sind torische Oberflächen. Das System von Beispiel 12 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch eine erste Abbildungslinse 41 und eine zweite Abbildungslinse 42 (die auch als zweite Abbildungslinse dient), die eine Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung aufweist und die nahe der Bildebene bereitgestellt ist. In der Folge sind die Daten optischer Spezifikationen einer typischen Konstruktion basierend auf Beispiel 12 dargestellt.
2ω = 45,974°.
38 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Konstruktion gemäß Beispiel 12 erhalten werden.
In Beispiel 12 ist die zylindrische Linse 42 nahe der Bildebene bereitgestellt und dies garantiert, dass im Vergleich zu dem Fall, wo nur eine Abbildungslinse verwendet wird, die optische Linsenvergrößerung, die der zusammengesetzte Wert für die Kombination der ersten und zweiten Abbildungslinse ist, klein wird und die Gleichung (1) zeigt, dass die Wirksamkeit in der Neigungskorrektur verbessert werden kann. Als weiterer Vorteil liegt der konjugierte Punkt in der Nebenabtastrichtung vor der ersten Abbildungslinse 41 und daher ist der Lichtstrahl, der durch diese erste Abbildungslinse geht, in der Nebenabtastrichtung schmal; es sollte auch erwähnt werden, dass, da die zweite Abbildungslinse 42 nahe der Bildebene angeordnet ist, der Lichtstrahl, der durch diese zweite Abbildungslinse geht, auch schmal ist. Folglich kann die Dicke der zwei Abbildungslinsen 41 und 42 ausreichend verringert werden, um die Herstellungskosten dieser Linsen zu senken.
BEISPIEL 13
39 zeigt schematisch zwei Schnittzeichnungen des Systems von Beispiel 13; 39(a) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Hauptabtastrichtung erstellt wurde, und 39(b) bezieht sich auf die Schnittzeichnung, die in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, im Verlauf entlang der optischen Achse. In Beispiel 13 sind zwei drehende Linsenspiegel 3 identischer Form symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse derart angeordnet, dass ihre Reflexionsflächen S₂ an ihren jeweiligen Rückseiten miteinander in Kontakt sind. Die Eintrittsfläche S₁ und die Austrittsfläche S₃ jedes Linsenspiegels 3 sind torische Oberflächen. Das System von Beispiel 13 enthält nicht nur die drehenden Linsenspiegel 3, sondern auch eine erste Abbildungslinse 41 und eine zweite Abbildungslinse 42, die nahe der Bildebene bereitgestellt ist. In der Folge sind die Daten optischer Spezifikationen einer typischen Konstruktion basierend auf Beispiel 13 dargestellt.
2ω = 40,293°.
40 zeigt die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Konstruktion gemäß Beispiel 13 erhalten werden.
In Beispiel 13 ist die zweite Abbildungslinse 42 nahe der Bildebene bereitgestellt und dies bietet den Vorteil, dass im Vergleich zu der Verwendung nur einer Abbildungslinse die optische Linsenvergrößerung, die der zusammengesetzte Wert für die Kombination der ersten und zweiten Abbildungslinse ist, klein wird und die Gleichung (1) zeigt, dass die Wirksamkeit in der Neigungskorrektur verbessert werden kann. Ferner garantiert die Verwendung einer torischen Linse als die zweite Abbildungslinse 42, dass die Feldkrümmung innerhalb von ± 1,4 mm gehalten wird, während die Abtastungslinearität nicht größer als 0,7 ist; somit kann eine hoch präzise optische Abtastungsvorrichtung gemäß Beispiel 13 konstruiert werden.
Die vorangehende Beschreibung der Beispiele 8 bis 13 geht davon aus, dass zwei drehende Linsenspiegel verwendet werden, aber dies ist nicht die einzige Möglichkeit und es können, wie in 41 dargestellt, drei oder mehr Linsenspiegel 3 in Positionen angeordnet sein, die in Bezug auf die Rotationsachse 0 Rotationssymmetrie aufweisen, so dass die Abtastungseffizienz weiter verbessert wird. In einem bestimmten Fall genügt nur ein Linsenspiegel, und dieser ist zur Verringerung der Ungleichmäßigkeit im Zeilenabstand wirksam, wenn der Motor, der den Linsenspiegel antreibt, Probleme wie eine unregelmäßige Umdrehung hat.
Wie auf den vorigen Seiten beschrieben wurde, betrifft ein weiterer Aspekt eine optische Abtastungsvorrichtung einer Art, die mehrere drehende Linsenspiegel verwendet und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Faktor der Neigungskorrektur in der Linsenspiegeleinheit auf nicht mehr als 0,5 eingestellt ist. Dies bietet den Vorteil, einen kleinen, kostengünstigen und präzisen optischen Scanner bereitzustellen, der eine verbesserte Abtasteffizienz aufweist, während die Ungleichmäßigkeit im Zeilenabstand verringert ist. Ferner ist für den Fachmann offensichtlich, dass die Verwendung dieses optischen Scanners mit einer Bilderzeugungsvorrichtung, wie einem Laserdrucker, Digitalkopierer, Telefaxgerät oder einer Laserabtastungsanzeige, einen großen Beitrag zu der Verringerung der Größe und Kosten dieser Bilderzeugungsvorrichtungen liefert.
Bevor mehrere Beispiele beschrieben werden, die den dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung erreichen können, werden zunächst die Spezifikationen der Optik in den Strahlabtastungsvorrichtungen beschrieben, die gemäß diesen Beispielen konstruiert wurden. Da sich jedes der Beispiele auf ein finites optisches System bezieht, betreffen die zu beschreibenden Spezifikationen der Optik den Strahlscanner als Ganzes, einschließlich einer Lichtquelle, einer Kollimatorlinse, einer zylindrischen Linse, die zwischen der Kollimatorlinse und einem drehenden Linsenspiegel oder einem polygonalen Spiegel bereitgestellt ist, und einer Abbildungslinse. Genauer gesagt: die Oberfläche der Lichtquelle ist mit So bezeichnet; die Eintritts- und Austrittsflächen der Kollimatorlinse sind mit S_a beziehungsweise S_b bezeichnet; die Eintritts- und Austrittsflächen der zylindrischen Linse sind mit S_e beziehungsweise S_f bezeichnet; die Brechungsindizes der optischen Materialien in der Kollimatorlinse, der zylindrischen Linse und der Abbildungslinse mit n_a, n_c beziehungsweise n_e. Es wird angenommen, dass der Linsenspiegel vom Beginn bis zum Ende eines Abtastzyklus um einen Winkel 2ω oder 2θ dreht. Verschiedene Spezifikationen der Optik sind durch die folgenden Symbole dargestellt: r_i für den Krümmungsradius einer i-ten Oberfläche S_i; d_i für den auf der Achse liegenden Abstand einer i-ten Oberfläche zu der nächsten Oberfläche; wenn eine Oberfläche von Interesse zylindrisch ist und Brechkraft nur in der Hauptabtastrichtung hat, wird. ihr Krümmungsradius in der Hauptabtastrichtung durch r_iy bezeichnet; wenn die zylindrische Oberfläche eine Brechkraft nur in der Nebenabtastrichtung hat, wird ihr Krümmungsradius in der Nebenabtastrichtung durch r_ix bezeichnet; wenn die Oberfläche von Interesse torisch ist, werden ihre Krümmungsradien in der Haupt- und Nebenabtastrichtung durch r_iy beziehungsweise r_ix bezeichnet; wenn die Form der Oberfläche in einem Schnitt in der Hauptabtastrichtung anders als ein Kreisbogen ist, werden die asphärischen Koeffizienten K_iy, A_iy, B_iy, C_iy und D_iy durch die folgende Gleichung dargestellt:
wobei z_i der Abstand ist, durch den der Punkt auf der asphärischen Oberfläche, wo die Höhe von der optischen Achse h ist, von der Ebene tangential zu dem Vertex der asphärischen Oberfläche abweicht; S₁, S₂ und S₃ sich auf die Eintrittsfläche, die Reflexionsfläche beziehungsweise die Austrittsfläche des drehenden Linsenspiegels oder polygonalen Spiegels beziehen; n₁ und n₂ sich jeweils auf den Brechungsindex des optischen Materials, aus dem ein drehender Linsenspiegel hergestellt ist, beziehen.
Spezifische Beispiele eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung sind in der Folge beschrieben. 43(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 14 und 43(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse. In dem dargestellten Fall ist die optische Pfadlänge 220 mm, gemessen vom Rotationsmittelpunkt der Linsenspiegeleinheit 3 zu der Bildebene.
Der Strahl, der vom Halbleiterlaser 1 ausgeht, wird durch die Kollimatorlinse 2 geformt, so dass er im Wesentlichen parallel wird. Der kollimierte Strahl geht dann durch die zylindrische Linse 6 und wird konvergent, so dass er ein Linienbild auf der Reflexionsfläche S₂ der drehenden Linsenspiegeleinheit 3 in der Nebenabtastrichtung bildet. Die Linsenspiegeleinheit 3 besteht aus zylindrischen Linsen, die aus optischem Glas mit beständigen optischen Eigenschaften hergestellt sind. Nach dem Eintritt in die Linsenspiegeleinheit 3 durch die Eintrittsfläche S₁ wird der Strahl von der Reflexionsfläche S₂ der Linsenspiegeleinheit reflektiert und tritt aus dieser durch die Austrittsfläche S₃. Die Eintrittsfläche S₁ und die Austrittsfläche S₃ sind derart eingestellt, dass der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, durch diese Flächen in einer normalen Richtung geht; andererseits ist die Reflexionsfläche S₂ derart eingestellt, dass der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, in einem Winkel von 45° auf die Reflexionsfläche S₂ fällt. Die Eintrittsfläche S₁ ist eine zylindrische Oberfläche, die nur in der Hauptabtastrichtung über Brechkraft verfügt (d.h., in der Richtung, in welcher der Strahl die Bildebene abtastet), und die in einem Schnitt, der in der Hauptabtastrichtung erstellt wird, konkav ist; die Reflexionsfläche S₂ und die Austrittsfläche S₃ sind jeweils eine flache Ebene. Die Rotationsachse der Linsenspiegeleinheit 3 ist in der Reflexionsfläche S₂ enthalten und geht durch den Reflexionspunkt des Strahls, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist. Der Strahl wird abhängig von der Drehung der Linsenspiegeleinheit 3 abgelenkt und der abgelenkte Strahl geht durch die Abbildungslinse 4, um einen Strahlfleck auf der Bildebene zu bilden.
Die Abbildungslinse 4 ist ein Einzel-Kunststofflinsenelement mit einem hohen Freiheitsgrad in der Oberflächenform. Ein Schnitt dieser Linse, der in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, ist in 43(b) dargestellt; offensichtlich ist die Abbildungslinse 4 eine torische Linse, die in ihrer Querschnittsform bikonvex ist. Die bikonvexe Querschnittsform garantiert, dass die torische Linse bessere optische Eigenschaften mit gleichmäßiger Dicke und guter Formbarkeit hat. Genauer gesagt, die Krümmungsradien der Linsenoberflächen können groß genug gebildet werden, um sphärische Abbildungsfehler zu verringern.
In der Folge sind Spezifikationen der Optik in dem System von Beispiel 14 dargestellt. Das System umfasst eine Neigungskorrekturoptik die, in der Hauptabtastrichtung betrachtet, ein finites System ist, in dem konvergentes Licht in die drehende Linsenspiegeleinheit 3 gestrahlt wird, und die, in der Nebenabtastrichtung betrachtet, vom konjugierten Typ ist, in dem ein Linienbild auf der Reflexionsfläche S₂ der drehenden Linsenspiegeleinheit 3 gebildet wird. Somit listet das folgende Datenblatt die Spezifikationen des Strahlscanners als Ganzes auf, einschließlich der Parameter der Kollimatorlinse.
2ω = 35,1°.
Die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Abbildungslinse 4 erhalten werden, sind durch die Graphiken in 44 dargestellt. Die Feldkrümmung, die sich in der Hauptabtastrichtung entwickelt, ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt, und jene, die sich in der Nebenabtastrichtung entwickelt, ist durch eine Volllinie dargestellt. In Bezug auf die Abtastungslinearität ist es in dem Fall einer fθ Linse üblich, die Abweichung von der tatsächlichen Bildhöhe von dem Idealwert y = fθ in Prozent anzugeben. In der vorliegenden Erfindung jedoch, wo sowohl die Eintrittsfläche S₁ als auch Austrittsfläche S₃ der Linsenspiegeleinheit zur Drehung ausgebildet sind, ist die ideale Bildhöhe y nicht gleich fθ. Somit wird eine äquivalente Darstellungsmethode verwendet, nach der die Abweichung von der idealen Bildhöhe Y = ζθ in Prozent angegeben wird, wobei ζ die Änderung in der Bildhöhe mit dem Rotationswinkel der Linsenspiegeleinheit 3 für paraxiale Strahlen darstellt. Der halbe Betrachtungswinkel ω ist der Winkel, durch den die Linsenspiegeleinheit 3 dreht, während der Abbildungsfleck von der Mitte zu einem Rand der Abtastung abtastet. Die Konstruktionswellenlänge des Strahls wurde bei 780 nm eingestellt. Wie aus 44 hervorgeht, ist der Strahlscanner von Beispiel 14 ein Hochpräzisionsgerät, das zu einer effektiven optischen Fehlerkorrektur im Sinne sowohl der Feldkrümmung als auch Abtastungslinearität imstande ist und dennoch von geringer Größe und kompakt ist.
45(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 15 und 45(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse. Die optische Pfadlänge ist 205 mm, gemessen vom Rotationsmittelpunkt der Linsenspiegeleinheit 3 zu der Bildebene. In dem dargestellten Fall ist die Abbildungslinse 4 näher bei der Bildebene angeordnet und dies erfordert nicht nur eine weniger exakte Präzision in Oberflächen und Geometrie für die Abbildungslinse 4, sondern trägt auch zur Verringerung ihrer Brechkraft in der Nebenabtastrichtung bei. Somit können Schwankungen in der Feldkrümmung auf geringe Werte verringert werden, selbst wenn es Schwankungen im Brechungsindex auf Grund von Temperaturänderungen gibt.
Unter Bezugnahme auf 45(a) und 45(b) wird der Strahl, der von dem Halbleiterlaser 1 ausgeht, durch die Kollimatorlinse 2 geformt und wird im Wesentlichen parallel. Der kollimierte Strahl geht dann durch die zylindrische Linse 6 und wird konvergent, so dass ein Linienbild auf der Reflexionsfläche S₂ der drehenden Linsenspiegeleinheit 3 in der Nebenabtastrichtung entsteht. Wie in Beispiel 14 besteht die Linsenspiegeleinheit 3 aus zylindrischen Linsen, die aus optischem Glas mit beständigen optischen Eigenschaften bestehen. Nach dem Eintritt in die Linsenspiegeleinheit 3 durch die Eintrittsfläche S₁ wird der Strahl von der Reflexionsfläche S₂ der Linsenspiegeleinheit reflektiert und tritt aus dieser durch die Austrittsfläche S₃. Die Eintrittsfläche S₁ und die Austrittsfläche S₃ sind so eingestellt, dass der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, durch diese Flächen in einer normalen Richtung geht; andererseits ist die Reflexionsfläche S₂ so eingestellt, dass der Strahl, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist, auf die Reflexionsfläche S₂ in einem Winkel von 45° fällt. Die Eintrittsfläche S₁ ist eine zylindrische Oberfläche, die nur in der Hauptabtastrichtung über Brechkraft verfügt (d.h., in der Richtung, in welcher der Strahl die Bildebene abtastet) und die in einem Schnitt in der Hauptabtastrichtung konkav ist; die Reflexionsfläche S₂ und die Austrittsfläche S₃ sind jeweils eine flache Ebene. Die Rotationsachse der Linsenspiegeleinheit 3 ist in der Reflexionsfläche S₂ enthalten und geht durch den Reflexionspunkt des Strahls, der auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist. Der Strahl wird als Reaktion auf die Drehung der Linsenspiegeleinheit 3 abgelenkt und der abgelenkte Strahl geht durch die Abbildungslinse 4 zur Bildung eines Strahlflecks auf der Bildebene.
Die Abbildungslinse 4 ist ein Einzel-Kunststofflinsenelement mit einem hohen Freiheitsgrad in der Oberflächenform. Ein Schnitt dieser Linse, der in der Nebenabtastrichtung erstellt wurde, ist in 45(b) dargestellt; offensichtlich ist die Abbildungslinse 4 eine torische Linse, die in ihrer Querschnittsform bikonvex ist. Die bikonvexe Querschnittsform garantiert, dass die torische Linse bessere optische Eigenschaften mit gleichmäßiger Dicke und guter Formbarkeit hat. Genauer gesagt, die Krümmungsradien der Linsenoberflächen können groß genug gebildet werden, um sphärische Abbildungsfehler zu verringern.
In der Folge sind Spezifikationen der Optik in dem System von Beispiel 15 dargestellt. Das System umfasst eine Neigungskorrekturoptik die, in der Hauptabtastrichtung betrachtet, ein finites System ist, in dem konvergentes Licht in die drehende Linsenspiegeleinheit 3 gestrahlt wird, und die, in der Nebenabtastrichtung betrachtet, vom konjugierten Typ ist, in dem ein Linienbild auf der Reflexionsfläche S₂ der drehenden Linsenspiegeleinheit 3 gebildet wird.
2ω = 38,6°.
Die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Abbildungslinse 4 erhalten werden, sind durch die Graphiken in 46 dargestellt. Die Feldkrümmung, die sich in der Hauptabtastrichtung entwickelt, ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt, und jene, die sich in der Nebenabtastrichtung entwickelt, ist durch eine Volllinie dargestellt. In Bezug auf die Abtastungslinearität ist die Abweichung von der idealen Bildhöhe Y = ζθ in Prozent angegeben, wobei ζ die Änderung in der Bildhöhe mit dem Rotationswinkel der Linsenspiegeleinheit 3 für paraxiale Strahlen darstellt. Der halbe Betrachtungswinkel ω ist der Winkel, durch den die Linsenspiegeleinheit 3 dreht, während der Abbildungsfleck von der Mitte zu einem Rand der Abtastung abtastet. Die Konstruktionswellenlänge des Strahls wurde bei 780 nm eingestellt. Wie aus 46 hervorgeht, ist der Strahlscanner von Beispiel 15 im Sinne sowohl der Feldkrümmung als auch Abtastungslinearität ziemlich zufrieden stellend.
47(a) ist eine Querschnittsansicht der auf der Achse liegenden Komponenten des Systems von Beispiel 16 und 47(b) ist eine Seitenansicht der auf der Achse liegenden Komponenten im Verlauf entlang der optischen Achse. Die optische Pfadlänge ist 140 mm, gemessen vom Rotationsmittelpunkt der Linsenspiegeleinheit 3 zu der Bildebene. In dem dargestellten Fall ermöglicht die kürzere optische Pfadlänge eine weitere Verringerung in der Größe des Strahlscanners und der Abstand von der Abbildungslinse 4 zu der Bildebene wird noch kürzer als in den Versionen von Beispiel 14 und 15; somit kann die Präzision, die für die Oberflächen und Geometrie der Abbildungslinse 4 erforderlich, ist noch weniger exakt werden und viel bessere optische Eigenschaften können garantiert werden.
In der Folge sind Spezifikationen der Optik in dem System von Beispiel 16 dargestellt.
2ω = 46,4°.
Die Abbildungsfehlerkurven, die mit der Abbildungslinse 4 erhalten werden, sind durch die Graphiken in 48 dargestellt. Wie in den vorangehenden Beispielen ist die Feldkrümmung, die sich in der Hauptabtastrichtung entwickelt, durch eine gestrichelte Linie dargestellt, und jene, die sich in der Nebenabtastrichtung entwickelt, ist durch eine Volllinie dargestellt. In Bezug auf die Abtastungslinearität ist die Abweichung von der idealen Bildhöhe Y = ζθ in Prozent angegeben, wobei ζ die Änderung in der Bildhöhe mit dem Rotationswinkel der Linsenspiegeleinheit 3 für paraxiale Strahlen darstellt. Der halbe Betrachtungswinkel ω ist der Winkel, durch den die Linsenspiegeleinheit 3 dreht, während der Abbildungsfleck von der Mitte zu einem Rand der Abtastung abtastet. Die Konstruktionswellenlänge des Strahls wurde bei 780 nm eingestellt. Wie aus 48 hervorgeht, ist der Strahlscanner von Beispiel 16 im Sinne sowohl der Feldkrümmung als auch Abtastungslinearität ziemlich zufriedenstellend und dennoch von geringer Größe und kompakt.
Wie auf den vorangehenden Seiten beschrieben wurde, ist die Strahlabtastungsvorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung prinzipiell von einer Art, die einen drehenden Linsenspiegel oder polygonalen Spiegel als Ablenkungselement verwendet, das zur Hochgeschwindigkeitsdrehung angetrieben wird; die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzel-Abbildungslinsenelement (eine fθ Linse) in einer Neigungskorrekturoptik vom konjugierten Typ verwendet wird, wobei die Abbildungslinse eine torische Linse mit einer bikonvexen Querschnittsform in der Nebenabtastrichtung ist. Dieses bietet den Vorteil, dass im Vergleich zu einer Meniskuslinse der Krümmungsradius, der zur Erzeugung einer bestimmten Brechkraft notwendig ist, groß genug sein kann, um für eine Verringerung sphärischer Abbildungsfehler und somit für bessere optische Eigenschaften zu garantieren. Der große Krümmungsradius bietet einen weiteren Vorteil, da die Fluidität von Pressharzen ausreichend verstärkt wird, um eine Verbesserung in der Effizienz von Linsenformungsprozessen zu erreichen, so dass die gewünschte Abbildungslinse auf einfache Weise hergestellt werden kann. Zusätzlich wird die Strahlabtastungsvorrichtung, die eine solche Abbildungslinse verwendet, in der gesamten Größe verringert und trotz ihrer einfachen und kompakten Form weist die Vorrichtung eine hohe Präzision auf und das Problem der Neigung von Ablenkungsflächen wird vollständig korrigiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine Strahlabtastungsvorrichtung eine Lichtquelle 1, eine Kollimatorlinse 2 zum Formen des Strahls von der Lichtquelle 1; und mehrere optische Elemente 3, 31, 32, 33, die jeweils mit einer Strahleintrittsfläche S₁, einer Strahlreflexionsfläche S₂ und einer Strahlaustrittsfläche S3 versehen sind, wobei die Form der Eintritts- S₁ und Austrittsflächen S₃ so spezifiziert ist, dass sie imstande sind, bestimmte Abbildungsfehler zu korrigieren, wobei die mehreren optischen Elemente 3, 31, 32, 33 in Drehung versetzt werden, um den Strahl abzulenken und abzutasten, und wobei der Faktor, um den der Zeilenabstandsfehler, der sich auf Grund der Neigung der optischen Elemente während des Abtastens durch Strahlablenkung entwickelt, optisch korrigiert wird, auf 0,5 und weniger eingestellt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine Strahlabtastungsvorrichtung eine Lichtquelle 1, eine Kollimatorlinse 2 zum Formen des Strahls von der Lichtquelle 1, eine zylindrische Linse 6 zum Bilden eines Linienbildes auf einer Reflexionsfläche S₂ eines Ablenkungselements, das zur Drehung bei hoher Geschwindigkeit angetrieben wird, und eine Abbildungslinse 4, durch welche der Strahl von dem Ablenkungselement zur Bildung eines neigungskorrigierten Bildes auf der Bildebene fokussiert wird, wobei die Abbildungslinse 4 aus einer Einzellinse mit einer torischen Oberfläche besteht, die eine bikonvexe Form mit positiver Brechkraft in einem Schnitt aufweist, der die optische Achse enthält und senkrecht zu der Ablenkungsebene ist.
Ein drehender polygonaler Spiegel wird als Ablenkungselement verwendet, wobei die Abbildungslinse 4, durch die der Strahl von dem drehenden polygonalen Spiegel zur Bildung eines neigungskorrigierten Bildes auf der Bildebene 5 fokussiert wird, aus einer Einzellinse mit einer torischen Oberfläche besteht, die eine bikonvexe Form mit positiver Brechkraft in einem Schnitt aufweist, der die optische Achse enthält und senkrecht zu der Ablenkungsebene ist.
Ein drehender polygonaler Spiegel wird als Ablenkungselement verwendet, wobei die Vorrichtung ein finites System ist, in dem konvergentes Licht in den drehenden polygonalen Spiegel eintritt, wobei die Abbildungslinse 4, durch die der Strahl von dem drehenden polygonalen Spiegel zur Bildung eines neigungskorrigierten Bildes auf der Bildebene 5 fokussiert wird, aus einer Einzellinse mit einer torischen Oberfläche besteht, die eine bikonvexe Form mit positiver Brechkraft in einem Schnitt aufweist, der die optische Achse enthält und senkrecht zu der Ablenkungsebene ist.
Ein drehender polygonaler Spiegel wird als Ablenkungselement verwendet, wobei die Abbildungslinse 4, durch die der Strahl von dem drehenden polygonalen Spiegel zur Bildung eines neigungskorrigierten Bildes auf der Bildebene 5 fokussiert wird, eine Eintrittsfläche aufweist, die durch Drehen eines Kreisbogens oder anderer geometrischer Formen um eine Achse erzeugt wird, welche die Rotationsachse des drehenden polygonalen Spiegels und die optische Achse im rechten Winkel schneidet.
Ein drehender Linsenspiegel 3, 31, 32, 33 wird als Ablenkungselement verwendet, wobei die Abbildungslinse 4, durch die der Strahl von dem drehenden polygonalen Spiegel zur Bildung eines neigungskorrigierten Bildes auf der Bildebene 5 fokussiert wird, aus einer Einzellinse mit einer torischen Oberfläche besteht, die eine bikonvexe Form mit positiver Brechkraft in einem Schnitt aufweist, der die optische Achse enthält und senkrecht zu der Ablenkungsebene ist.

Claims

Strahlabtastungsvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle (1); eine Kollimatorlinse (2) zum Formen eines Strahls von der Lichtquelle (1); wenigstens ein optisches Element (3; 31, 32, 33), das mit einer Strahleintrittsfläche (S₁), einer Strahlreflexionsfläche (S₂) und einer Strahlaustrittsfläche (S₃) versehen ist, wobei wenigstens eine von der Strahleintrittsfläche (S₁) und der Strahlaustrittsfläche (S₃) eine zylindrische Oberfläche ist, die nur in der Hauptabtastrichtung über eine Brechkraft verfügt; eine Abbildungsoptik (4; 41, 42), die in einem optischen Pfad zwischen dem optischen Element (3; 31, 32, 33) und einer von dem Strahl abzutastenden Oberfläche (5) angeordnet ist, wobei die Abbildungsoptik den Strahl auf einen Fleck auf der abzutastenden Oberfläche (5) fokussiert; und Rotationsantriebsmittel zum Antreiben des optischen Elements (3; 31, 32, 33) in eine derartige Drehung, dass es zum Abtasten der Oberfläche (5) in die Hauptabtastrichtung kontinuierlich winkelmäßig in Bezug auf den Strahl von der Kollimatorlinse (2) versetzt wird.
Strahlabtastungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Eintrittsfläche (S₁) und die Austrittsfläche (S₃) jeweils eine zylindrische Oberfläche sind, die über eine Brechkraft nur in der Hauptabtastrichtung verfügt, während die Reflexionsfläche (S₂) eine flache Ebene ist.
Strahlabtastungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Abbildungsoptik (4; 41, 42) ein Einzel-Linsen-Element (4) mit einer torischen Oberfläche ist.
Strahlabtastungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Abbildungsoptik (4; 41, 42) aus zwei Linsenelementen (41, 42) besteht, von welchen eines eine zylindrische Linse ist, die nur in der Nebenabtastrichtung über eine Brechkraft verfügt, und die andere eine sphärische Linse ist.
Strahlabtastungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die mehrere der optischen Elemente (3; 31, 32, 33) enthält.
Strahlabtastungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Abbildungsoptik (4; 41, 42) aus zwei oder mehr Linsenelementen (41, 42) gebildet ist, wobei dasjenige Element, das der Bildebene am nächsten liegt, eine zylindrische Linse ist, die nur in der Nebenabtastrichtung über Brechkraft verfügt.
Strahlabtastungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die des Weiteren eine zylindrische Linse (6) umfasst, mit welcher der Strahl, der in das optische Element (3; 31, 32, 33) eintritt, nur in der Nebenabtastrichtung fokussiert wird, um einen Fleck nahe der Reflexionsfläche (S₂) zu bilden.
Strahlabtastungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei ein konvergenter Strahl auf die zylindrische Linse (6) fällt.