DE69626748T2

DE69626748T2 - Optischer Scanner

Info

Publication number: DE69626748T2
Application number: DE69626748T
Authority: DE
Inventors: Takashi Hama; Nozomu Inoue; Yujiro Nomura; Kyu Takada
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1996-11-22
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2016-11-23
Also published as: DE69635393T2; DE69635393D1; EP0775928A3; EP1195636B1; JPH09203875A; EP0775928B1; EP1195636A2; US5764397A; DE69626748D1; EP1195636A3; EP0775928A2; JP3707508B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Scanner bzw. Abtaster
Optische Abtaster werden für Bildaufzeichnungsvorrichtungen, beispielsweise für Laserdrucker und andere Arten von Bildlese- und -messgeräten, verwendet. Um einen optischen Strahl für Abtastzwecke abzulenken, wird gemeinhin ein drehender Polygonspiegel als Deflektor verwendet.
Bei der oben beschriebenen Vorrichtung wird zweidimensionales Abtasten derart durchgeführt, dass ein optischer Strahl wiederholt durch den optischen Abtaster bewegt wird, um eine gerade oder gekrümmte Linie auf der abzutastenden Oberfläche zu verfolgen, wohingegen das abzutastende Medium, welches auf der Oberfläche angeordnet ist, einer relativen Bewegung in einer Richtung, welche im Allgemeinen senkrecht zur Abtastrichtung des optischen Strahls verläuft, unterzogen wird. Für den Zweck der folgenden Beschreibung wird die Abtastrichtung mit dem optischen Abtaster als "Hauptabtastrichtung" definiert, während die Richtung der relativen Bewegung des abzutastenden Mediums als "Unterabtastrichtung" definiert wird.
Um eine bessere Auflösung und eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erzielen, erfordern neueste Modelle der oben beschriebenen Vorrichtung schnellere optische Abtaster. Um sicherzustellen, dass ein optischer Abtaster, welcher sich eines drehenden Polygonspiegels für das Ablenken von optischen Strahlen bedient, eine gesteigerte Abtastgeschwindigkeit (oder Abtastfrequenz) aufweist, können die beiden folgenden Verfahren angewandt werden:
(1) Erhöhen der Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels; oder
(2) Erhöhen der Anzahl von Reflektierflächen des Polygonspiegels.
Um die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels zu erhöhen, ist ein Lager, welches für eine schnelle Rotation geeignet ist, erforderlich, jedoch können Kugellager, welche heutzutage für gewöhnlich zum Einsatz kommen, nicht schneller als ungefähr 20000 U/min (Umdrehungen pro Minute) gedreht werden. Luftlager können schneller als 30000 U/min gedreht werden, ihr Preis ist jedoch so hoch, dass sie nur mit bestimmten Arten von Vorrichtungen eingesetzt werden können und mit Sicherheit nicht für preisgünstige Laserdrucker für den Normalverbraucher zur Anwendung gebracht werden können.
Andererseits führt das Erhöhen der Anzahl von Reflektierflächen des Polygonspiegels zu einem kleineren Winkel, um den sich eine Reflektierfläche dreht. Um sicherzustellen, dass einzelne Reflektierflächen eine bestimmte Mindestgröße aufweisen, muss der Durchmesser des Polygonspiegels vergrößert werden.
Die übliche Art, den optischen Abtaster zu betreiben, ist durch Veranlassen, dass ein optischer Strahl ein fokussiertes Bild auf der abzutastenden Oberfläche bildet. Beim Laserstrahlabtasten setzt die Bildung eines kleinen fokussierten Strahlpunkts voraus, dass die einzelnen Reflektierflächen des Polygonspiegels eine gewisse Größe in der Hauptabtastrichtung aufweisen, wie durch den divergenten Winkel des Laserstrahls bestimmt wird. Allerdings werden, wenn die Anzahl von Reflektierflächen erhöht wird, der Winkel, um den sich eine einzelne Reflektierfläche dreht, wie auch der abgetastete Winkel des optischen Strahls verringert. Wenn der abgetastete Winkel des optischen Strahls klein ist, wird die Brennweite der Abtastoptik, welche erforderlich ist, um eine vorgegebene Abtastbreite vorzusehen, erhöht, was eine entsprechende Erhöhung der optischen Weglänge vom Polygonspiegel zur abzutastenden Oberfläche bewirkt. Infolgedessen weist der optische Strahl auf einer Reflektierfläche des Polygonspiegels einen erhöhten Durchmesser in der Hauptabtastrichtung auf, und verglichen mit dem Fall, bei dem der Polygonspiegel weniger Reflektierflächen aufweist, wird sich die Größe der Reflektierflächen erhöhen, was einen weiteren Anstieg der Größe des Polygonspiegels zur Folge hat.
Mit anderen Worten: Wenn die Anzahl von Reflektierflächen des Polygonspiegels steigt, wird die erforderliche Größe der Reflektierflächen zu- und nicht abnehmen. Auf Grund dieses Wesens des Polygonspiegels wird die Obergrenze der Anzahl von Reflektierflächen festgelegt, wenn die Größe des Polygonspiegels (oder des Zylinders, welcher im Spiegel einbeschrieben ist) festgelegt wird. Betrachten Sie zum Beispiel einen optischen Abtaster zur Verwendung bei einem Laserdrucker; wenn die erforderliche Abtastbreite bei einer Wellenlänge von 780 nm 350 mm beträgt und der einbeschriebene Zylinder des drehenden Polygonspiegels einen Radius von 25 mm aufweist, um einen Punktdurchmesser von höchstens 50 um in der Hauptabtastrichtung auf der abzutastenden Oberfläche zu erzeugen, dann kann die Anzahl von Reflektierflächen des Polygonspiegels im Allgemeinen nicht größer als sieben sein.
Wenn der Durchmesser des Polygonspiegels erhöht wird, um eine erhöhte Anzahl von Reflektierflächen zu ermöglichen, nehmen das Gewicht und das sekundäre Trägheitsmoment des Polygonspiegels wie auch der Luftwiderstand (Luftwiderstandsverlust), welcher durch die Drehung des Polygonspiegels verursacht wird und folglich die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels auf niedrige U/min-Werte einschränkt, zu.
In Anbetracht dieser Einschränkungen bezüglich der Anzahl von Reflektierflächen des Polygonspiegels und seiner Drehgeschwindigkeit wurden bereits verschiedene Abtaster vorgeschlagen, um Abtastgeschwindigkeiten zu erzielen, welche diese Probleme zu beheben imstande sind.
Ein Vorschlag wird in der Japanischen Patentanmeldungs- Offenlegungsschrift (Kokai) No. Sho. 51-100742 beschrieben, und er ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiterlaser-Arrays als Lichtquelle, derart, dass die betreffende Oberfläche mit einer Mehrzahl von Laserstrahlen gleichzeitig abgetastet wird, um dadurch eine höhere Abtastgeschwindigkeit zu erzielen. Gemäß diesem Verfahren besteht keine Notwendigkeit, die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels zu erhöhen, und dennoch kann die Abtastgeschwindigkeit um einen Faktor erhöht werden, welcher der Anzahl von Lasern entspricht, welche in die Vorrichtung eingebaut sind.
Ein weiterer Vorschlag wird in der Japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift (Kokai) No. Sho. 51-32340 beschrieben, gemäß welchem einem optischen Strahl von einer Lichtquelle ermöglicht wird, auf den drehenden Polygonspiegel aufzutreffen, derart, dass er einen äußerst kleinen Strahlpunkt-Durchmesser in der Hauptabtastrichtung bildet, wohingegen dem abgelenkten optischen Strahl ermöglicht wird, über eine Transmissionsoptik erneut auf den Polygonspiegel aufzutreffen. Auf diese Weise wird dem optischen Strahl ermöglicht, zweimal auf den drehenden Polygonspiegel aufzutreffen.
Bei der zweiten Methode bildet der optische Strahl, welchem das erste Auftreffen auf den drehenden Polygonspiegel ermöglicht wird, einen Strahlpunkt von äußerst kleinem Durchmesser, verglichen mit dem optischen Strahl, welchem das zweite Auftreffen ermöglicht wird, und darüber hinaus ist die Transmissionsoptik derart ausgebildet, dass der optische Strahl, welchem ermöglicht wird, das zweite Mal auf eine Reflektierfläche des Polygonspiegels aufzutreffen, den Mittelpunkt der reflektierenden Oberfläche in der Hauptabtastrichtung verfolgen wird.
Bei dieser Anordnung kann der Durchmesser des optischen Strahls, welchem zuerst ermöglicht wird, auf den drehenden Polygonspiegel aufzutreffen, auf ein derart kleines Ausmaß reduziert werden, dass es möglich ist, eine Fläche abzutasten, welche dem Winkel entspricht, der durch jede Reflektierfläche des Polygonspiegels begrenzt wird. Wenn der optische Strahl, der durch die erste Reflektierfläche des Polygonspiegels abgelenkt wird, durch die Transmissionsoptik tritt, um das zweite Mal auf den drehenden Polygonspiegel aufzutreffen, wird der Durchmesser des optischen Strahls auf jenen Wert erhöht, der erforderlich ist, um einen vorgegebenen Strahlpunkt auf der abzutastenden Oberfläche zu bilden; allerdings kann, da das zweite Auftreffen des optischen Strahls der Drehung der Reflektierfläche folgt, die Größe des optischen Strahls auf einen Wert eingestellt werden, welcher vom Winkel unabhängig ist, um den sich der Polygonspiegel dreht.
Das erste von der Erfindung zu lösende Problem wird nunmehr beschrieben.
Das Verfahren des gleichzeitigen Abtastens mit einer Mehrzahl optischer Strahlen, wie es in der Japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift No. Sho. 51-100742 vorgeschlagen wird, ist mit mehreren Problemen behaftet, welche sich aus der Notwendigkeit ergeben sicherzustellen, dass eine Mehrzahl von Lichtquellen die gleiche Lichtmenge oder vorgegebene Lichtmengen abgeben, aus der Notwendigkeit, eine dem Abtasten zugeordnete Modulation in einer zeitlich vorbestimmten Beziehung für die jeweiligen Lichtquellen zu starten, und aus der Notwendigkeit sicherzustellen, dass die Mehrzahl optischer Strahlen parallele Abtastlinien in vorgegebenen Abständen ziehen wird. Es ist offenkundig, dass ein optischer Abtaster, der diese Probleme beheben kann, eine kompliziertere und schwierigere Konstruktion als das herkömmliche Modell aufweisen wird.
Bei dem anderen herkömmlichen Verfahren, welches ermöglicht, dass ein optischer Strahl zweimal auf den drehenden Polygonspiegel auftrifft, weist der optische Strahl, welchem zuerst ermöglicht wird, auf den Polygonspiegel aufzutreffen, einen derart kleinen Durchmesser in der Hauptabtastrichtung auf, dass er durch jegliche Mängel oder Staubteilchen auf den Reflektierflächen des Polygonspiegels beeinträchtigt werden kann und es ihm daher eventuell nicht gelingt, einen fokussierten Strahlpunkt auf der abzutastenden Oberfläche zu bilden.
Weiter bezugnehmend auf diese zweite Lösung zeigt Fig. 11 einen Querschnitt der Fläche des Polygonspiegels gemäß der Hauptabtastebene, welcher sich von der ersten Reflektierfläche zur zweiten Reflektierfläche erstreckt. Für die Zwecke der vorliegenden Besprechung wird die "Hauptabtastebene" (oder der "Hauptabtastquerschnitt") als Ebene definiert, welche die Rotationsachse des Polygonspiegels im rechten Winkel kreuzt, wohingegen die "Unterabtastebene" (oder der "Unterabtastquerschnitt") als Ebene definiert wird, welche zur Drehachse des Polygonspiegels parallel verläuft und die optische Achse umfasst.
Der optische Strahl von einer Lichtquelle wird auf die erste Reflektierfläche 31 des drehenden Polygonspiegels fokussiert und als divergenter Strahl abgelenkt. Die Transmissionsoptik umfasst ein einziges Transmissionslinsenelement 141, welches in einem Abstand von der Reflektierfläche 31 entfernt angeordnet ist, welcher gleich der Brennweite f der Linse ist. Daher wird der abgelenkte optische Strahl durch das Hindurchtreten durch die Transmissionslinse 141 kollimiert und bewegt sich daraufhin als parallele Lichtstrahlen weiter.
Wie bereits erwähnt wurde, ist die Transmissionslinse 141, welche die Transmissionsoptik bildet, in einem Abstand von der ersten Reflektierfläche 31 angeordnet, welcher gleich der Brennweite der Linse ist. Um die Herstellung zu erleichtern, wird die Brennweite der Transmissionslinse vorzugsweise erhöht, indem sie weiter von der ersten Reflektierfläche weg angeordnet wird. Ein anderer Grund, warum die Transmissionslinse vorzugsweise fern vom Polygonspiegel angeordnet wird, ist die Zweckmäßigkeit bei Auslegung der Linse zur optischen Achse rund um den Polygonspiegel.
Wenn der einbeschriebene Zylinder des Polygonspiegels einen Radius R aufweist, kann das Maß an Bewegung jeder Reflektierfläche infolge der Drehung des Polygonspiegels um einen Winkel θ1 durch R·θ1 approximiert werden. Wir bezeichnen diesen Betrag als δ; um sicherzustellen, dass der optische Strahl, welcher durch die erste Reflektierfläche 31 um einen Winkel von 201 abgelenkt wird, der Bewegung δ der zweiten Reflektierfläche 32 folgt, muss die Brennweite f der Linse 141 gleich δ/(2·θ1) sein. Wie bereits erwähnt wurde, besteht der Hauptzweck der zweiten Lösung darin sicherzustellen, dass der Radius R des einbeschriebenen Zylinders des Polygonspiegels relativ klein gehalten wird, und dabei den Polygonspiegel dennoch mit einer maximalen Anzahl Reflektierflächen zu versehen; demnach nimmt das Maß an Bewegung δ jeder Reflektierfläche ebenfalls einen relativ kleinen Wert an. Infolgedessen wird die Brennweite f der Transmissionslinse 141 sehr klein, was eine erhebliche Schwierigkeit bei der Linsenkonstruktion und -herstellung mit sich bringt. Darüber hinaus ist die Transmissionslinse 141 in der Nähe der ersten Reflektierfläche 31 angeordnet, und dies bringt ebenfalls eine Schwierigkeit für die Auslegung der Optik rund um die Reflektierflächen des Polygonspiegels mit sich.
Betrachten wir nun den Fall, bei dem ein optischer Strahl, welcher durch die erste reflektierende Oberfläche des Polygonspiegels um einen Winkel von 2·θ1 abgelenkt wird, von einem planen Spiegel reflektiert wird. Da der abgelenkte optische Strahl ebenfalls in demselben Winkel von 201 auf die zweite Reflektierfläche einfällt, kann der optische Strahl schließlich in einem Winkel von 4·θ1 abgetastet werden. Mit anderen Worten: Der abgetastete Winkel wird dadurch, dass dem optischen Strahl ermöglicht wird, zweimal auf den Polygonspiegel aufzutreffen, verdoppelt.
Allerdings verursacht beim zweiten betrachteten herkömmlichen Verfahren die Ablenkung durch die erste Reflektierfläche 31 eine Parallelverschiebung im optischen Strahl, welcher auf die zweite Reflektierfläche 32 auftrifft, so dass der endgültige abgetastete Winkel des optischen Strahls höchstens zweimal der Winkel θ1 ist, um welchen sich der Polygonspiegel dreht, und das zweimalige Auftreffen des optischen Strahls auf den Polygonspiegel nicht mehr beim Erweitern des abgetasteten Winkels wirksam ist. Infolgedessen wird die Brennweite der Abtastoptik in der Hauptabtastebene erhöht, wodurch es unmöglich wird zu verhindern, dass die Abtastoptik unbotmäßig lang wird.
Neben diesem Problem wird, wenn der Drehwinkel θ1 des Polygonspiegels verringert wird, während dieselbe Abtastbreite aufrechterhalten wird, der abgetastete Winkel (2·θ1) ebenfalls verringert, was zu einem progressiven Anstieg der Brennweite der Abtastoptik führt. Es sollte auch festgehalten werden, dass auf der ersten Reflektierfläche der abnehmende θ1 dazu führen wird, dass der Rand der Reflektierfläche größer wird, wohingegen auf der zweiten Reflektierfläche der Durchmesser des optischen Strahls in der Hauptabtastrichtung steigen wird, um den Rand der Reflektierfläche zu reduzieren. Daher ist das einzige Verfahren, welches verwendet werden kann, den Wert von θ1 auf jenes Maß zu maximieren, welches durch den Rand der ersten Reflektierfläche toleriert wird, und es besteht keinerlei Konstruktionsspielraum in den paraxialen Parametern der Transmissions- und der Abtastoptik.
Um dieses Problem zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, einen kollimierten optischen Strahl auf die erste Reflektierfläche auftreffen zu lassen und die Transmissionsoptik als afokale Optik auszubilden. Allerdings wird infolge des vergleichsweise kleinen Durchmessers des parallelen Lichtstrahls, welcher auf die erste Reflektierfläche auftrifft, die Zusammensetzung der strahlformenden Optik unweigerlich kompliziert.
Das zweite Problem, welches von der vorliegenden Erfindung zu lösen ist, wird nun beschrieben. Beim ersten herkömmlichen Verfahren, welches gleichzeitiges Abtasten mit einer Mehrzahl optischer Strahlen durchführt, weist der erforderliche optische Abtaster klarerweise verglichen mit dem gewöhnlichen Modell eine überaus komplizierte Konstruktion auf, wie bereits in Zusammenhang mit dem ersten durch die Erfindung zu lösenden Problem aufgezeigt wurde.
Das zweite im Stand der Technik bekannte Verfahren, welches ermöglicht, dass ein optischer Strahl zweimal auf den drehenden Polygonspiegel auftrifft, weist hingegen den Vorteil auf, dass es einen vergleichsweise einfachen elektrischen Kreis erfordert, da das Abtasten mit einer einzigen Lichtquelle durchgeführt wird. Bei diesem herkömmlichen Verfahren weist der optische Strahl einen äußerst kleinen Durchmesser in der Hauptabtastrichtung zu jenem Zeitpunkt auf, zu dem er auf die erste Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, und sein Durchmesser wird mit der Transmissionsoptik vergrößert, derart, dass er der Drehbewegung der zweiten Reflektierfläche des Polygonspiegels folgt. Nachdem er durch die zweite Reflektierfläche abgelenkt wurde, wird der optische Strahl durch die Abtastoptik hindurchgeführt, um die Zieloberfläche abzutasten.
Wenn dem optischen Strahl, welcher vom drehenden Polygonspiegel einmal abgelenkt wurde, ermöglicht wird, wieder auf den Polygonspiegel aufzutreffen, das heißt, der zweiten Reflektierfläche zu folgen, kann die Transmissionsoptik ausgebildet werden, um eine Lateralvergrößerung zu erzeugen, derart, dass der Auftreffwinkel des optischen Strahls in Bezug auf die zweite Reflektierfläche größer wird. Genauer gesagt wird, wenn sich der Polygonspiegel um einen Winkel θ1 dreht, der Winkel, in welchem der optische Strahl auf die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, um θ1 plus θ2, was der durch die Transmissionsoptik bewirkte Abweichungswinkel des optischen Strahls ist, größer. Wenn hingegen der Auftreffwinkel um θ1 kleiner wird, wird der Abweichungswinkel θ2 ebenfalls kleiner.
Daher ist der abgetastete Winkel θs des optischen Strahls, welcher durch die zweite Reflektierfläche abgelenkt wird, gleich 2·θ1 + 2. Mit anderen Worten: Der abgetastete Winkel wird verglichen mit dem Wert θs = 2·θ1, welcher in jenem Fall erhalten wird, bei dem der optische Strahl durch ein einziges Auftreffen auf den drehenden Polygonspiegel abgelenkt wird, erweitert.
Was nun die optische Weglänge der Abtastoptik betrifft, so muss ihre Brennweite fs in der Hauptabtastrichtung so kurz wie möglich gemacht werden, um ihre optische Weglänge zu minimieren. Wenn nun eine erforderliche Abtastbreite Y bekannt ist, muss der abgetastete Winkel θs vergrößert werden, um die Brennweite fs zu reduzieren.
An dieser Stelle sollte festgehalten werden, dass die Abtastbreite Y nicht nur aus der Breite des effektiven Bereichs auf der abzutastenden Oberfläche, sondern auch aus dem Abstand von einem Punkt auf der Oberfläche zu einem Strahlendetektor, der vor dem effektiven Abtastbereich angeordnet ist, besteht. Ehe der optische Strahl den effektiven Abtastbereich abtastet, wird eine Lichtquelle eine bestimmte Zeit lang erleuchtet und der erzeugte optische Strahl zum Strahlendetektor hin gerichtet, wodurch ein Synchronisiersignal erzeugt wird, das einen Referenzpunkt für das Abtasten bereitstellt.
Wie aus der oben dargelegten Gleichung klar hervorgeht, muss der Wert von θ1 oder θ2 erhöht werden, um θs zu erhöhen. Theoretisch kann θ1 nicht größer als der Wert, der durch Dividieren von 360º (dem Winkel einer Umdrehung) durch die Anzahl von Reflektierflächen des Polygonspiegels erhalten wird. In der Praxis weist der optische Strahl auf jeder Reflektierfläche eine endliche Größe auf, und die einzelnen Reflektierflächen erfordern ein bestimmtes Maß an Rand, da sie nicht bis zu den geometrischen Grenzen genutzt werden können. Diese Faktoren reduzieren in praktischen Anwendungen θ1 weiter bis auf einen kleineren Wert.
Das Verhältnis zwischen θ1 und θ2 wird durch die Lateralvergrößerung β bestimmt, welche durch die Transmissionsoptik erzeugt wird, und der Wert dieser Lateralvergrößerung β ist gleich dem größenmäßigen Verhältnis zwischen dem optischen Strahl auf der ersten Reflektierfläche und jenem auf der zweiten Reflektierfläche. Daher wird, wenn entweder θ1 oder θ2 erhöht wird, der Durchmesser des optischen Strahls auf entweder der ersten oder der zweiten Reflektierfläche größer, und die Größe dieser Reflektierflächen stellt eine Einschränkung dar.
Herkömmlicherweise wurde die geometrische Größe jeder Reflektierfläche des Polygonspiegels in der Hauptabtastrichtung unter Berücksichtigung verschiedener Ränder in Bezug auf die Größe des optischen Strahls auf jeder Reflektierfläche und das Ausmaß seiner Bewegung auf der Reflektierfläche festgelegt. Typische Ränder entsprechen den folgenden Faktoren: (i) der Fläche der Nichtnutzung, welche durch die Abfasung (oder Abrundung) jeder Grenze zwischen benachbarten Reflektierflächen geschaffen wird; (ii) der Fläche der Nichtnutzung, welche in der Nähe jeder Grenze zwischen benachbarten Reflektierflächen auf Grund von "Durchhang" bei der Bearbeitung geschaffen werden; und (iii) dem Positionsfehler im Drehmittelpunkt des Polygonspiegels in Bezug auf die optische Achse.
Diese Faktoren müssen in jenem Fall, bei welchem ermöglicht wird, dass der optische Strahl zweimal auf den drehenden Polygonspiegel auftrifft, ins Kalkül gezogen werden. Wenn man jedoch einen ausreichenden Rand sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Reflektierfläche sicherstellen und dennoch einen weiten abgetasteten Winkel θs vorsehen möchte, wird die Größe des Polygonspiegels unweigerlich ansteigen.
Ein weiteres Problem tritt bei diesem im Stand der Technik bekannten Verfahren auf Grund der Tatsache auf, dass der optische Strahl, welcher auf die erste und die zweite Reflektierfläche auftrifft, einen Winkel mit der normalen Richtung in der Hauptabtastebene aufweist. Das heißt, dass der auftreffende optische Strahl auf die Reflektierflächen projiziert wird, wobei er einen größeren Durchmesser als im Fall des normalen Auftreffens aufweist, was folglich einen entsprechenden Anstieg der Größe der Reflektierflächen voraussetzt.
Das Dokument DE 25 39 427 offenbart einen optischen Abtaster, welcher einen drehenden Polygonspiegel mit mindestens einer ersten Reflektierfläche und einer zweiten Reflektierfläche aufweist. Der Abtaster umfasst des Weiteren eine Transmissionsoptik, welche eine Linse aufweist, mit welcher dem optischen Strahl, der durch die erste Reflektierfläche abgelenkt wird, ermöglicht wird, auf die zweite Reflektierfläche aufzutreffen. Der optische Strahl, der auf die zweite Reflektierfläche auftrifft, wird davon abgelenkt und erzeugt einen abtastenden optischen Strahl, welcher eine vorgegebene abzutastende Oberfläche abtastet.
Der optische Strahl, der durch eine Lichtquelle abgegeben und durch eine Kollimatorlinse geformt wird, wird im Wesentlichen auf die Oberfläche der ersten Reflektierfläche fokussiert. Dadurch leidet der Abtaster unter den schädlichen Auswirkungen von Mängeln und Staubansammlungen auf der Reflektierfläche in jenem Fall, in dem der fokussierte auftreffende optische Strahl auf derartige Mängel oder Staubansammlungen auftrifft. Dies hat eine vollständige Absorption des auftreffenden Lichtstrahls zur Folge und verhindert, dass der Lichtstrahl reflektiert wird.
Somit leidet die Bildgebequalität des herkömmlichen Abtasters infolge der oben besprochenen Auswirkungen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Abtaster vom oben veranschaulichten Typ, welcher ein verbesserte Bildgebequalität aufweist, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den optischen Abtaster gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 realisiert.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor. Die Ansprüche sind als erster nichteinschränkender Ansatz zum allgemeinen Definieren der Erfindung zu verstehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen optischen Abtaster. Insbesondere bezieht sie sich auf optische Abtaster zur Verwendung bei Laserdruckern. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Optiken, welche bewirken, dass ein optischer Strahl zweimal auf Reflektierflächen eines Polygonspiegels auftrifft.
Die vorliegende Erfindung wurde gemäß diesen Umständen realisiert, und gemäß ihrem ersten Aspekt ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen optischen Abtaster bereitzustellen, welcher ermöglicht, dass ein optischer Strahl zweimal auf einen drehenden Polygonspiegel auftrifft, um eine Ablenkung durchzuführen, und welcher darüber hinaus gegenüber den Auswirkungen von Mängeln oder Staubansammlungen auf den Reflektierflächen des Polygonspiegels immun ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, einen optischen Abtaster bereitzustellen, welcher eine einfache Herstellung der Transmissionslinsen in der Transmissionsoptik ermöglicht und kompakte Abtastoptiken zu realisieren vermag.
Gemäß ihrem zweiten Aspekt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen optischen Abtaster bereitzustellen, welcher in der Lage ist, einen großen abgetasteten Winkel mit einem drehenden Polygonspiegel zu realisieren, dessen Inkreis einen kleinen Durchmesser aufweist.
Die Aufgaben des ersten Aspekts der Erfindung können durch einen optischen Abtaster realisiert werden, der eine Lichtquelle, eine strahlformende Optik zum Umformen eines optischen Strahls von der Lichtquelle in einen konvergenten Strahl, einen drehenden Polygonspiegel mit wenigstens einer ersten Reflektierfläche zum Ablenken des konvergenten Strahls und einer zweiten Reflektierfläche, und eine Transmissionsoptik, mit welcher dem optischen Strahl, welcher durch die erste Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels abgelenkt wird, ermöglicht wird, auf die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels aufzutreffen, und in welcher der optische Strahl, welcher auf die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, davon abgelenkt wird, um einen abtastenden optischen Strahl zu erzeugen, welcher eine vorgegebene abzutastende Oberfläche abtastet, umfasst, wobei der konvergente optische Strahl ein fokussiertes Abbild an einem Punkt bildet, welcher zwischen der ersten Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels und der ersten Linse in der Transmissionsoptik angeordnet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der optische Abtaster einen β-Wert von 2 bis 20 auf, wobei β gleich θ1 mal zwei dividiert durch θ2 ist, wobei θ1 der Rotationswinkel des Polygonspiegels in jenem Fall ist, bei dem der abtastende optische Strahl am weitesten von der optischen Achse entfernt angeordnet ist, und θ2 der Ablenkwinkel ist, welchen der optische Strahl von der Transmissionsoptik mit der optischen Achse bildet, wenn er wieder auf den Polygonspiegel auftrifft, wenn sich dieser um den Winkel θ1 dreht.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird im optischen Abtaster während des Zeitraums, während welchem der abtastende optische Strahl einen vorgegebenen Bereich abtastet, die geometrische Größe der zweiten Reflektierfläche minus wo' eingestellt, um größer als die geometrische Größe der ersten Reflektierfläche minus wi' und E zu sein, wobei wi' ein Maximalwert ist, welchen der Durchmesser des konvergenten optischen Strahls, gemessen in einer Ebene, welche die Rotationsachse des drehenden Polygonspiegels in einem rechten Winkel kreuzt, annimmt, wenn der optische Strahl auf die erste Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, wo' ein Maximalwert ist, welchen der Durchmesser des optischen Strahls von der Transmissionsoptik, gemessen in einer Ebene, welche die Rotationsachse des drehenden Polygonspiegels in einem rechten Winkel kreuzt, annimmt, wenn der optische Strahl auf die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, und E die Strecke ist, entlang welcher sich der konvergente optische Strahl während des Zeitraums, während dessen der abtastende optische Strahl einen vorgegebenen Bereich abtastet, auf der ersten Reflektierfläche bewegt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform setzt sich die Transmissionsoptik aus einem Einzel-Linsen-Element zusammen.
Die Aufgabe des zweiten Aspekts der Erfindung kann durch einen optischen Abtaster erreicht werden, welcher eine Lichtquelle, eine strahlformende Optik zum Umformen eines optischen Strahls von der Lichtquelle in einen vorgegebenen geformten optischen Strahl, einen drehenden Polygonspiegel mit wenigstens einer ersten Reflektierfläche zum Ablenken des geformten optischen Strahls und einer zweiten Reflektierfläche, und eine Transmissionsoptik, mit welcher dem optischen Strahl, welcher durch die erste Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels abgelenkt wird, ermöglicht wird, auf die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels aufzutreffen und in welcher der optische Strahl, nachdem er auf die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, davon abgelenkt wird, um einen abtastenden optischen Strahl zu erzeugen, welcher eine vorgegebene abzutastende Oberfläche abtastet, umfasst, wobei während des Zeitraums, während dessen der abtastende optische Strahl einen vorgegebenen Bereich abtastet, die geometrische Größe der zweiten Reflektierfläche minus wo' derart einstellt ist, dass sie größer als die geometrische Größe der ersten Reflektierfläche minus wi' und E ist, wobei wi' ein Maximalwert ist, welchen der Durchmesser des geformten optischen Strahls gemessen in einer Ebene, welche die Rotationsachse des drehenden Polygonspiegels in einem rechten Winkel kreuzt, annimmt, wenn der geformte optische Strahl auf die erste Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, wo' ein Maximalwert ist, welchen der Durchmesser des optischen Strahls von der Transmissionsoptik gemessen in einer Ebene, welche die Rotationsachse des drehenden Polygonspiegels in einem rechten Winkel kreuzt, annimmt, wenn der optische Strahl auf die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, und E die Strecke ist, entlang welcher sich der geformte optische Strahl während des Zeitraums, während dessen der abtastende optische Strahl einen vorgegebenen Bereich abtastet, auf der ersten Reflektierfläche bewegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel, in welchem der geformte optische Strahl auf die erste Reflektierfläche auftrifft, wenn der abtastende optische Strahl in der Nähe des Mittelpunkts des vorgegebenen Bereichs abtastet, senkrecht zur ersten Reflektierfläche in der Hauptabtastebene.
Alternativ dazu ist der Winkel, in welchem der optische Strahl, welcher aus der Transmissionsoptik hervortritt und auf die zweite Reflektierfläche auftrifft, wenn der abtastende optische Strahl in der Nähe des Mittelpunkts des vorgegebenen Bereichs abtastet, senkrecht zur zweiten Reflektierfläche in der Hauptabtastebene.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle ein Halbleiterlaser, welcher sichtbares Laserlicht mit einer Wellenlänge von höchstens 700 nm abgibt.
Demnach wird ein optischer Abtaster beschrieben, welcher umfasst: eine Lichtquelle, eine strahlformende Optik zum Umformen eines optischen Strahls von der Lichtquelle in einen konvergenten Strahl; einen drehenden Polygonspiegel mit wenigstens einer ersten Reflektierfläche zum Ablenken des konvergenten Strahls und einer zweiten Reflektierfläche; und eine Transmissionsoptik mit einer Linse, mit welcher dem optischen Strahl, welcher durch die erste Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels abgelenkt wird, ermöglicht wird, auf die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels aufzutreffen, wobei der optische Strahl, welcher auf die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, davon abgelenkt wird, um einen abtastenden optischen Strahl zu erzeugen, welcher eine vorgegebene abzutastende Oberfläche abtastet, wobei der konvergente optische Strahl ein fokussiertes Abbild an einem Punkt bildet, welcher zwischen der ersten Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels und der Linse in der Transmissionsoptik angeordnet ist.
Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenschau mit den beiliegenden Zeichnungen besser zu verstehen sein. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen optischen Abtaster gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, betrachtet in der Hauptabtastebene;
Fig. 2 ein Querschnitt des optischen Abtasters gemäß der ersten Ausführungsform, wie er entlang dem optischen Weg ausgerichtet ist, einschließlich der ersten und der zweiten Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels und dargestellt in der Hauptabtastebene;
Fig. 3 ein Kennlinien-Diagramm, welches den Rand einer Reflektierfläche des Polygonspiegels, den abgetasteten Winkel eines optischen Strahls und die Brennweite der Abtastoptik in Abhängigkeit der Rotationswinkeleinstellung des Polygonspiegels bei einem im Stand der Technik bekannten optischen Abtaster darstellt;
Fig. 4 ein Kennlinien-Diagramm, welches den Rand einer Reflektierfläche des Polygonspiegels, den abgetasteten Winkel eines optischen Strahls und die Brennweite der Abtastoptik in Abhängigkeit der Rotationswinkeleinstellung des Polygonspiegels beim optischen Abtaster gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 5 ein Kennlinien-Diagramm zum Veranschaulichen des zweiten Aspekts der Erfindung durch Darstellen von vier verschiedenen Bedingungen, in welchen der optische Strahl auf der ersten Reflektierfläche und dar zweiten Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels einen konstanten Rand in Bezug auf die geometrische Größe jeder Reflektierfläche aufweist, wenn der Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels und der Ablenkwinkel (θ2) durch die Transmissionsoptik bekannt sind;
Fig. 6 ein weiteres Kennlinien-Diagramm zum Veranschaulichen des zweiten Aspekts der Erfindung durch Darstellen von vier verschiedenen Bedingungen, in welchen der optische Strahl auf der ersten Reflektierfläche und der zweiten Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels einen konstanten Rand in Bezug auf die geometrische Größe jeder Reflektierfläche aufweist, wenn der Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels und der Ablenkwinkel (θ2) durch die Transmissionsoptik bekannt sind;
Fig. 7 eine Draufsicht auf einen optischen Abtaster gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, gesehen in der Hauptabtastebene;
Fig. 8 eine Draufsicht auf einen optischen Abtaster gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung, gesehen in der Hauptabtastebene;
Fig. 9 eine Draufsicht auf einen optischen Abtaster gemäß einem veranschaulichenden Beispiel der Erfindung, gesehen in der Hauptabtastebene;
Fig. 10 ein Querschnitt durch den optischen Abtaster gemäß einem veranschaulichenden Beispiel in seiner Ausrichtung entlang der optischen Achse, einschließlich der ersten und der zweiten Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels und dargestellt in der Hauptabtastebene; und
Fig. 11 ein Querschnitt des im Stand der Technik bekannten optischen Abtasters in seiner Ausrichtung entlang der optischen Achse, einschließlich der ersten und der zweiten Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen optischen Abtaster gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, betrachtet gemäß dem Hauptabtastquerschnitt. Ein Halbleiterlaser 1 wird als Lichtquelle verwendet, und ein Laserstrahl, der als divergentes Licht von der Quelle abgegeben wird, wird mittels einer Kollimatorlinse 2 zu einem konvergenten optischen Strahl geformt. Der konvergente optische Strahl trifft auf die erste Reflektierfläche 31 eines drehenden Polygonspiegels 3 auf. Der optische Strahl, welcher durch die erste Reflektierfläche 31 abgelenkt wird, wird durch einen Reflektorspiegel 51 neu ausgerichtet und wird konvergent, ehe er in eine Transmissionslinse 41, welche eine Transmissionsoptik 4 bildet, eingelassen wird. Der optische Strahl, welcher aus der Transmissionslinse 41 hervortritt, ist im Wesentlichen parallel, und seine optische Achse wird, ehe er auf die zweite Reflektierfläche 32 des drehenden Polygonspiegels 3 auftrifft, durch einen Reflektorspiegel 52 neu ausgerichtet. Infolge der Ablenkung durch die erste Reflektierfläche 31 wird der Mittelpunkt des optischen Strahls, welcher auf die zweite Reflektierfläche 32 auftrifft, derart verschoben, dass er dem Mittelpunkt der zweiten Reflektierfläche 32 folgt. Der optische Strahl, welcher durch die zweite Reflektierfläche 32 abgelenkt wird, tritt durch eine Abtastlinse 61 und eine Kompensatorlinse 62 hindurch, um zu einem konvergenten optischen Strahl geformt zu werden, welcher dann ein fokussiertes Bild auf einer abzutastenden Oberfläche 7 ausbildet. Die Abtastlinse 61 und die Kompensatorlinse 62 stellen gemeinsam die Abtastoptik dar, mit welcher einem optischen Strahl, welcher mit einer im Allgemeinen gleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit abgetastet wird, ermöglicht wird, die Oberfläche 7 mit einer gleichmäßigen linearen Geschwindigkeit abzutasten.
In Fig. 1 wird gezeigt, dass die optische Achse des Strahls 1, welcher auf die erste Reflektierfläche 31 auftrifft, die optische Achse des abgelenkten Strahls auf dem Papier überlappt, jedoch sind in Wirklichkeit die beiden optischen Achsen in der Unterabtastebene, d. h. in einer normal zum Papier verlaufenden Richtung, voneinander beabstandet und in Bezug aufeinander geneigt. Gleichermaßen sind die optische Achse des Strahls, welcher auf die zweite Reflektierfläche 32 auftrifft, und die optische Achse des abgelenkten Strahls in Bezug aufeinander in einer Ebene, welche die Drehachse des Polygonspiegels umfasst, geneigt.
Darüber hinaus sind die optischen Strahlen, welche auf die erste Reflektierfläche 31 und die zweite Reflektierfläche 32 auftreffen sollen, derart ausgebildet, dass sie auf den jeweiligen Reflektierflächen in der Hauptabtastebene normal auftreffen, wenn der Auftreffpunkt in der Nähe der optischen Achse (dem Mittelpunkt des Abtastens) liegt.
Die Wirkung der Transmissionsoptik im optischen Abtaster gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. Die Transmissionsoptik im optischen Abtaster, welcher oben mit Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, ist entlang dem optischen Weg ausgerichtet, welcher die Reflektorspiegel 51 und 52 umfasst und in Fig. 2 im Hauptabtastquerschnitt dargestellt ist.
Der optische Strahl, welcher auf die erste Reflektierfläche 31 auftrifft, weist einen Durchmesser wi auf dieser Reflektierfläche auf. Nach dem Ausbilden eines fokussierten Bildes bei Punkt P tritt der optische Strahl durch die Transmissionslinse 41, um zu einem parallelen Strahl, der einen Durchmesser wo aufweist, umgeformt zu werden. Demnach ist die Strecke von der Transmissionslinse 41 zu Punkt P gleich der Brennweite der Linse 41.
Wenn sich der Polygonspiegel 3 um einen Winkel θ1 dreht, wird der optische Strahl, welcher auf die erste Reflektierfläche 31 auftrifft, um das Zweifache des Winkels θ1 abgelenkt. Der abgelenkte optische Strahl tritt durch die Transmissionslinse 41, um des Weiteren um einen Winkel θ2 abgelenkt zu werden. Dieser optische Strahl kreuzt die optische Achse bei Punkt Q. Daraufhin trifft der optische Strahl auf die zweite Reflektierfläche 32 auf, und an diesem Auftreffpunkt ist die Strecke zwischen dem abgelenkten optischen Strahl und der optischen Achse gleich d. h. dem Ausmaß, um welches sich jede Reflektierfläche bewegt, wenn sich der Polygonspiegel 3 um den Winkel θ1 dreht.
In diesem Fall wird der abgelenkte optische Strahl weiter in einer derartigen Richtung abgelenkt, dass der Auftreffwinkel auf der zweiten Reflektierfläche um den Winkel θ2 wächst, so dass der optische Strahl, welcher von der zweiten Reflektierfläche zurückgeworfen wird, um 2·θ1 + θ2 abgelenkt wird. Mit anderen Worten: Der Ablenkwinkel des optischen Strahls kann verglichen mit dem üblichen System, bei welchem der optische Strahl nur einmal auf den drehenden Polygonspiegel auftrifft, um θ2 vergrößert werden.
Der Ablenkwinkel des abgelenkten optischen Strahls, welcher durch die Transmissionslinse 41 tritt, wird von 2·θ1 auf θ2 geändert, so dass die Vergrößerung β durch 2·θ1/θ2 ausgedrückt wird. Die optische Geometrie gibt an, dass die Beziehung, welche durch die Gleichung 1 (siehe unten) ausgedrückt wird, auf der Strecke (S1) von einem Ablenkungspunkt H auf der ersten Reflektierfläche 31 zur Transmissionslinse 41, der Strecke (S2) von der Transmissionslinse 41 zu Punkt Q, an welchem der abgelenkte optische Strahl die optische Achse kreuzt, und der Brennweite (f) der Transmissionslinse 41 gilt. Da der Ablenkungspunkt H in Bezug auf die Transmissionslinse 41 im Objektraum liegt, nimmt die Strecke S1 einen negativen Wert an. (Gleichung 1)
Die Höhe des Intercept des abgelenkten optischen Strahls an der Transmissionslinse 41 steht in Beziehung mit dem Ablenkungswinkel durch:
2·θ1·S1 = θ2·S2 (A)
Der Durchmesser (wi) des optischen Strahls, welcher auf die erste Reflektierfläche 31 auftrifft, und der Durchmesser (wo) des parallelen optischen Strahls, welcher aus der Transmissionslinse 41 hervortritt, stehen miteinander gemäß Gleichung 2 in Beziehung: (Gleichung 2)
Durch Substituieren von Gleichung 1 und Gleichung A in Gleichung 2 ist zu erkennen, dass das Verhältnis von wo zu wi für den optischen Strahl gleich β oder dem Verhältnis von 2·θ1 zu θ2 ist. Der Wert von β stellt die Lateralvergrößerung, welche durch die Transmissionsoptik erzeugt wird, dar und wird durch die folgende Gleichung 3 zum Ausdruck gebracht: (Gleichung 3)
Somit kann das Ausmaß von θ2 relativ zu 2·θ1 durch Vergrößern von wi, oder dem Durchmesser des optischen Strahls auf der ersten Reflektierfläche, relativ zu wo, oder dem Durchmesser des abgelenkten optischen Strahls, welcher aus der Transmissionslinse 41 hervortritt, vergrößert werden.
Nunmehr auf das Ausmaß bezugnehmend, um welches der abgelenkte optische Strahl an der zweiten Reflektierfläche 32 von der optischen Achse versetzt wird, wird dieses paraxial durch die Strecke S3 vom Schnittpunkt Q zur zweiten Reflektierfläche 32 multipliziert mit dem Winkel θ2 ausgedrückt, und dieser Versatz ist gleich 8 oder dem Ausmaß der Bewegung der zweiten Reflektierfläche. Demnach gilt:
θ2·S3 = δ (B)
Wenn die Strecke von der ersten Reflektierfläche 31 zur zweiten Reflektierfläche 32 als L angegeben wird, gilt folgende Beziehung:
L = S1 + S2 + S3 (C)
Wenn demnach L, δ (das Ausmaß, in welchem der optische Strahl der Bewegung der zweiten Reflektierfläche folgt), θ1 (der Rotationswinkel des Polygonspiegels) und θ2 (der entsprechende Ablenkwinkel des optischen Strahls, welcher aus der Transmissionsoptik 41 hervortritt) bekannt sind, wird die Brennweite (f) der Transmissionsoptik aus den Gleichungen 1, A, B und C ermittelt.
Nehmen wir hier an, dass zwei optische Abtaster unter denselben Bedingungen hergestellt werden, abgesehen davon, dass sich einer des in Fig. 11 abgebildeten herkömmlichen Systems bedient und der andere der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus Fig. 2 entspricht. Die Eigenschaften der beiden Systeme können wie folgt verglichen werden.
Nehmen wir zunächst an, dass der drehende Polygonspiegel 12 Reflektierflächen aufweist und dass der Inkreis des Spiegels einen Radius (R) von 25 mm aufweist. Die Lichtquelle ist ein Halbleiterlaser, der Licht mit einer Wellenlänge (λ) von 780 nm abgibt. Der optische Strahl, welcher nach dem zweiten Auftreffen auf dem drehenden Polygonspiegel 3 hervortritt, muss einen Bereich (Y) von 330 mm abtasten, wobei eine Punktgröße (dO) von 50 um in der Hauptabtastrichtung auf der abzutastenden Oberfläche erzeugt wird. Die auf der Achse liegende Strecke L von der ersten Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels zur zweiten Reflektierfläche beträgt 300 mm.
Wenn die berücksichtigten optischen Abtaster bei Bildaufzeichnungs- oder -eingabevorrichtungen zum Einsatz gelangen sollen, ist ein Mittel zum Erzeugen von Synchronisationssignalen, welche als Referenzpunkte für aufeinanderfolgende Abtastzyklen dienen, erforderlich. Wenngleich dies in Fig. 1 nicht dargestellt ist, wird ein optischer Strahl zu einer Strahlendetektorposition vor der Position, an der der effektive Abtastbereich der Zieloberfläche abgetastet werden soll, hingerichtet und der eintretende optische Strahl in ein elektrisches Signal umgewandelt, wodurch ein Synchronisiersignal erzeugt wird. Der Strahlendetektor ist nicht unbedingt an der abzutastenden Oberfläche angeordnet. Es sollte jedoch festgehalten werden, dass sich der Bereich Y, welcher mit den optischen Abtastern abgetastet werden muss, von der Position, an welcher der Strahlendetektor vorgesehen ist, zum hinteren Ende des effektiven Abtastbereichs erstreckt.
Mit fs bezeichnen wir die Brennweite in der Hauptabtastrichtung der Abtastoptik, welche bewirkt, dass der abtastende optische Strahl die zweite Reflektierfläche verlässt, um ein fokussiertes Bild auf der abzutastenden Oberfläche zu bilden. Bei einer sogenannten "fθ-Optik", welche ermöglicht, einen bildgebenden Punkt auf der abzutastenden Oberfläche an der Position y anzuordnen, dessen Abweichung von der optischen Achse sich proportional zum abgetasteten Winkel θ des optischen Strahls verhält, gilt die Beziehung y = fs·θ. Durch Verwendung der oben besprochenen relevanten Parameter kann fs mittels Gleichung 4 ermittelt werden: (Gleichung 4)
Wenn ein Gaußscher Strahl angenommen wird, geben seine Eigenschaften vor, dass wo, oder der Durchmesser des parallelen optischen Strahls, welcher in die Abtastoptik eingelassen wird, und da, oder die Punktgröße auf der abzutastenden Oberfläche, durch die folgende Gleichung 5 in Beziehung zueinander stehen: (Gleichung 5)
Wenn demnach fs und dO bekannt sind, kann wo mittels Gleichung 5 ermittelt werden.
Als nächstes besprechen wir die Größe des optischen Strahls auf jeder Reflektierfläche und die Größe der Letzteren. Die Größe jeder Reflektierfläche wird als ihre "geometrische Größe" definiert. Die geometrische Größe W jeder Reflektierfläche wird durch W = 2R·tan(27π/2n) ausgedrückt, wobei R der Radius des Inkreises (einbeschriebenen Zylinders) des drehenden Polygonspiegels und n die Anzahl seiner Reflektierflächen ist. Somit stellt die geometrische Größe jeder Reflektierfläche die Strecke zwischen Scheitelpunkten eines geometrischen gleichseitigen Vielecks dar, ohne jene Umfangsabschnitte auszuschließen, welche infolge von Bearbeitungsfehlern und aus anderen Gründen nicht nutzbar sind.
Da nun die geometrische Größe W jeder Reflektierfläche auf diese Weise definiert wurde, möchten wir uns nun dem Rand für die Größe des optischen Strahls, welcher auftrifft, relativ zu W zuwenden. Der Auftreffpunkt des optischen Strahls auf der ersten Reflektierfläche ist fix, jedoch führt der optische Strahl auf Grund der Drehung des Polygonspiegels eine relative Bewegung auf der ersten Reflektierfläche aus. Wenn der abtastende optische Strahl den vorgegebenen Bereich Y über einen Winkel, welcher das Zweifache des Winkels θ1 ausmacht, um welchen sich der Polygonspiegel dreht, abtastet, führt der optische Strahl, welcher auf die erste Reflektierfläche auftrifft, eine relative Bewegung um eine Strecke E auf jener Oberfläche aus. Der optische Strahl weist einen Durchmesser wi an der festen Position auf der ersten Reflektierfläche auf, jedoch in Anbetracht von α, wobei es sich um einen maximalen Auftreffwinkel auf der ersten Reflektierfläche handelt, weist der Strahl einen Durchmesser wi' auf der ersten Reflektierfläche in der Hauptabtastrichtung auf, welcher als wi' = wi/cosα ausgedrückt wird. Der Rand für den auftreffenden optischen Strahl auf der ersten Reflektierfläche relativ zu seiner geometrischen Größe W ist gleich W minus E und wi' dividiert durch Zwei, so dass die Hälften gleich auf beiden Seiten der ersten Reflektierfläche verteilt sind.
Nunmehr auf die zweite Reflektierfläche bezugnehmend folgt der auftreffende optische Strahl dem Mittelpunkt dieser Reflektierfläche und somit ist der Rand für den auftreffenden optischen Strahl auf der zweiten Reflektierfläche relativ zu ihrer geometrischen Größe W gleich W minus wo' (dem Durchmesser des auftreffenden optischen Strahls auf der zweiten Reflektierfläche in der Hauptabtastrichtung) dividiert durch Zwei, so dass die Hälften auf beiden Seiten der zweiten Reflektierfläche gleich verteilt sind. Es sollte festgehalten werden, dass wo' mit wo wie auch wi' mit wi in einem Verhältnis steht.
Wenn ein Laserstrahl eine Gaußsche Verteilung der Profilintensität aufweist, wird sein Durchmesser im Allgemeinen als jene Größe definiert, bei welcher die Intensität 1/e² (d. h. 13,5%) des Werts am Strahlmittelpunkt beträgt. Allerdings ist der optische Strahl, welcher durch die Optik im optischen Abtaster der vorliegenden Erfindung durchtritt, nicht unbedingt ein Gaußscher Strahl, womit wi und wo, welche die Durchmesser des optischen Strahls, welcher auf die erste und die zweite Reflektierfläche auftrifft, darstellen, welche für den Gaußschen Strahl berechnet werden, entsprechend korrigiert werden, um wi' und wo' zu ermitteln. Insbesondere werden bei den beispielhaften Berechnungen, welche in der ersten und den nachfolgenden Ausführungsformen der Erfindung dargelegt werden, die jeweiligen Durchmesser des optischen Strahls, welche unter der Annahme, das es sich um einen Gaußschen Strahl handelt, ermittelt wurden, mit einem Faktor von 1,1 multipliziert.
Tabelle 1 listet die Durchmesser des optischen Strahls (wi' und wo'), die Brennweite (f) der Transmissionslinse und andere Parameter für zwei Systemkonstruktionen auf, eine gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung und die andere entsprechend dem bereits oben beschriebenen im Stand der Technik bekannten System, berechnet auf der Grundlage der oben dargelegten mathematischen Beziehungen und dem Konzept des Randes im Durchmesser eines optischen Strahls in Bezug auf die geometrische Größe jeder Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels.
Der Rotationswinkel θ1 des Polygonspiegels wird für jedes System als Winkel dargestellt, welcher schließlich einen maximalen abgetasteten Winkel für den optischen Strahl ermöglicht. Darüber hinaus wurde jedes System derart ausgebildet, dass der optische Strahl auf der ersten Reflektierfläche einen Rand von 0,5 mm Größe in Bezug auf die geometrische Größe der ersten Reflektierfläche aufweisen würde. Tabelle 1 Tabelle 1 (Fortsetzung)
Fig. 3 ist ein Schaubild für das im Stand der Technik bekannte System, welches die Rotationswinkeleinstellung (θ1) des Polygonspiegels auf der horizontalen Achse aufträgt und den Rand je Seite der ersten oder zweiten Reflektierfläche in Bezug auf den Durchmesser eines optischen Strahls, den abgetasteten Winkel (θ5) des optischen Strahls und die entsprechende Brennweite (fs) der Abtastoptik auf der vertikalen Achse aufträgt. Es sollte festgehalten werden, dass sich der Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels, welcher auf der horizontalen Achse aufgetragen ist, auf jenen Wert von 81 bezieht, bei welchem ein maximaler Rotationswinkel eingestellt ist, welcher den Versatz des optischen Strahls vorsieht, welcher erforderlich ist, um eine vorgegebene Breite auf der Zieloberfläche abzutasten, und θ1 bezieht sich keinesfalls auf den Winkel, welcher während des Abtastens erreicht wird. Demnach werden sich Optiken, welche unterschiedliche Werte für θ1 auf der horizontalen Achse aufweisen, völlig in ihrer Zusammensetzung unterscheiden.
Wie deutlich aus Fig. 3 hervorgeht, ist es, wenn der Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels beim herkömmlichen System 13,5º übersteigt, unmöglich, einen Rand von mehr als 0,5 mm je Seite der ersten Reflektierfläche zu gewährleisten. Andererseits wird, wenn θ1 reduziert wird, auch der abgetastete Winkel des optischen Strahls abnehmen, wodurch letzten Endes die Brennweite (fs) der Abtastoptik größer wird.
Wenngleich Tabelle 1 nur den Fall von θ1 = 13,5º darstellt, wird sich die Brennweite (f) der Transmissionsoptik im herkömmlichen System kaum verändern, selbst wenn der Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels verringert wird. Mit anderen Worten: Es ist beim herkömmlichen System optimal, den Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels auf jenes Ausmaß zu maximieren, welches durch den Rand des optischen Strahls in Bezug auf die erste Reflektierfläche zulässig ist, und es ist durchaus möglich, dass die paraxialen Parameter der Transmissionsoptik wenig Konstruktionsspielraum aufweisen.
Hingegen kann, wie aus Tabelle 1 hervorgeht, die Transmissionslinse 41 beim ersten Aspekt der Erfindung derart ausgebildet sein, dass sie eine weit größere Brennweite f als beim herkömmlichen System aufweist und somit Aberrationen bei der Linsenherstellung einfach beseitigt werden können. Darüber hinaus kann die Strecke von der ersten Reflektierfläche zur Transmissionslinse 41 ausreichend verlängert werden, um Komfort beim Erstellen der Auslegung der Optik rund um die erste Reflektierfläche 31 zu gewährleisten.
Beim herkömmlichen System beträgt der abgetastete Winkel des optischen Strahls, welcher die zweite Reflektierfläche verlässt, 2·θ1; gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann der abgetastete Winkel des optischen Strahls, welcher die zweite Reflektierfläche verlässt, um in die Abtastoptik geleitet zu werden, auf 2·θ1 + θ2 vergrößert werden, wodurch die Brennweite (fs) der Abtastoptik ausreichend verkürzt wird, um einen kompakten optischen Abtaster zu realisieren.
Bei den in Tabelle 1 angeführten numerischen Daten weist der optische Strahl auf der ersten Reflektierfläche in der Hauptabtastebene einen Durchmesser (wi) von 2,1 mm auf, so dass die Mängel oder Staubansammlungen auf den Reflektierflächen des Polygonspiegels äußerst geringe Auswirkungen auf die Bildgebeleistung des Systems nach sich ziehen, wenn sie nicht schwerwiegend oder großflächig sind.
Fig. 4 ist ein Schaubild für die erste Ausführungsform der Erfindung, welches wie in Fig. 3 den Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels auf der horizontalen Achse aufträgt, während es den Rand je Seite der zweiten Reflektierfläche in Bezug auf den Durchmesser des optischen Strahls auf jener Reflektierfläche, den abgetasteten Winkel (θs) des optischen Strahls und die entsprechende Brennweite (fs) der Abtastoptik auf der vertikalen Achse aufträgt.
Durch Regeln des Werts von θ2 kann der Rand für die erste und die zweite Reflektierfläche auf jedweden gewünschten Wert eingestellt werden, es wird jedoch in Fig. 4 angenommen, dass der Rand in der Größe der ersten Reflektierfläche in Bezug auf den optischen Strahl auf jener Reflektierfläche 0,5 mm beträgt.
Wie aus dem Vergleich zwischen Fig. 4 und Tabelle 1 klar hervorgeht, kann, wenn der Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels innerhalb des Bereichs von 9,5º bis 13,5º liegt, das heißt, wenn die Lateralvergrößerung (β), welche durch die Transmissionsoptik erzeugt wird, innerhalb des Bereichs von ungefähr 2 bis ungefähr 20 liegt, der abgetastete Winkel des optischen Strahls 28º überschreiten, was aus Tabelle 1 als maximaler Wert, welcher vom Stand der Technik erreicht werden kann, hervorgeht. Demnach kann man durch Gewährleisten, dass β innerhalb des angegebenen Bereichs liegt, den abgetasteten Winkel vergrößern, derart, dass die Brennweite der Abtastoptik ausreichend verkürzt wird, um einen kompakten optischen Abtaster zu realisieren und dadurch die Vorteile des ersten Aspekts der Erfindung zu erreichen.
Fig. 4 zeigt darüber hinaus, dass der abgetastete Winkel des optischen Strahls einen maximalen Wert von 29,5º erreicht, wenn der Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels 11,5º beträgt, es ist jedoch auch klar, dass abgetastete Winkel von mindestens 29º innerhalb des θ1-Bereichs von 10º bis 12,5º und in der Konstruktion von Abtastoptiken gewährleistet werden können, wobei Kennlinien mit keinen wesentlichen Unterschieden erreicht werden können, wenn θ1 innerhalb des angegebenen Bereichs liegt. Gleicherweise wird sich der Rand für die zweite Reflektierfläche in Bezug auf den Durchmesser des optischen Strahls im angegebenen Bereich von θ1 nicht erheblich ändern.
Was die Lateralvergrößerung (β) betrifft, welche durch die Transmissionsoptik erzeugt wird, so beträgt diese 2,22 bei θ1 = 10º und 6,1 bis θ1 = 12,5º. Dies zeigt die Breite des Bereichs, über den β oder die Lateralvergrößerung, welche durch die Transmissionsoptik erzeugt wird, eingestellt werden kann, wobei die Kennlinien des optischen Abtasters beinahe unter Bestbedingungen gehalten werden.
Die oben beschriebenen Vorteile, welche sich aus dem ersten Aspekt der Erfindung ergeben, werden nicht nur bei der ersten Ausführungsform sondern auch bei der zweiten und der dritten Ausführungsform, welche in der Folge beschrieben werden, erreicht.
Um eine Systemkonstruktion zu beschreiben, welche dem zweiten Aspekt der Erfindung entspricht, werden wir nun ein anderes Beispiel numerischer Daten für die erste Ausführungsform beschreiben. Ein Halbleiterlaser, welcher sichtbares rotes Licht mit einer Wellenlänge (λ) von 670 nm abgibt, wird als Lichtquelle verwendet. Der optische Strahl, welcher nach dem zweiten Auftreffen auf den drehenden Polygonspiegel 3 austritt, muss einen Bereich (Y) von 330 mm abtasten, wobei er eine Punktgröße (dO) von 50 um in der Hauptabtastrichtung auf der abzutastenden Oberfläche erzeugt.
Bei den betrachteten numerischen Daten wird davon ausgegangen, dass der drehende Polygonspiegel 12 Reflektierflächen aufweist und der Inkreis des Spiegels einen Radius von 17,32 mm aufweist. Der Wert 17,32 mm wird gewählt, da er der Größe des Inkreises des handelsüblichen Polygonspiegels entspricht, welcher, 6 Reflektierflächen aufweist, wobei der Umkreis einen Durchmesser von 40 mm aufweist.
Wenn nun θ1 und θ2 auf der Grundlage der ermittelten Werte von λ, Y und dO bekannt sind, kann man aus Gleichungen 3 und 5 die Durchmesser (wi und wo) des optischen Strahls auf der ersten Reflektierfläche 31 bzw. der zweiten Reflektierfläche 32 in der Hauptabtastrichtung ermitteln.
Fig. 5 zeigt vier verschiedene Bedingungen, unter welchen der optische Strahl auf der ersten Reflektierfläche 31 und der zweiten Reflektierfläche 32 einen konstanten Rand in Bezug auf die geometrische Größe jeder Reflektierfläche aufweist, wenn der Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels und der Ablenkwinkel (θ2) durch die Transmissionsoptik in Zusammenhang mit der erforderlichen Abtastbreite Y auf der Grundlage der vorgegebenen Werte von λ, Y und dO angegeben werden.
Jeder der Punkte in Fig. 5, welche durch θ1 und θ2 ermittelt werden, bezieht sich auf die Einstellungen von Optiken zum Abtasten der erforderlichen Breite Y, und verschiedene Punkte stellen verschiedene Arten von Optik dar.
Insbesondere auf Fig. 5 bezugnehmend ist der Bereich unter Linie A, wo mindestens 1 mm des oben definierten Randes auf der ersten Reflektierfläche gewährleistet werden kann. Der Bereich über der Linie B ist, wo mindestens 1 mm des oben definierten Randes auf der zweiten Reflektierfläche gewährleistet werden kann. Gleicherweise ist der Bereich unter der Linie C, wo mindestens 0,5 mm des oben definierten Randes auf der ersten Reflektierfläche gewährleistet werden kann, und der Bereich über der Linie D ist, wo mindestens 0,5 mm des oben definierten Randes auf der zweiten Reflektierfläche gewährleistet werden kann.
Wie aus Fig. 5 deutlich zu entnehmen ist, gibt es keine Kombinationen aus θ1 und θ2, welche Ränder von mindestens 1 mm auf sowohl der ersten als auch der zweiten Reflektierfläche gewährleisten können. Derartige Ränder müssen die Werte umfassen, welche den folgenden Faktoren entsprechen, die bereits in Zusammenhang mit dem Stand der Technik oder der ersten Ausführungsform der Erfindung erwähnt wurden: (i) die Fläche der Nichtnutzung, welche durch die Abfasung jeder Grenze zwischen benachbarten Reflektierflächen geschaffen wird; (ii) die Fläche der Nichtnutzung, welche in der Nähe jeder Grenze zwischen benachbarten Reflektierflächen auf Grund von "Durchhang" bei der Bearbeitung geschaffen werden; und (iii) der Positionsfehler im Drehmittelpunkt des Polygonspiegels in Bezug auf die optische Achse. Wie bereits festgehalten wurde, wird, wenn diese Faktoren in Betracht gezogen werden, ein minimaler Rand von mindestens 0,5 mm vorzugsweise für jede Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels vorgesehen. Bezugnehmend auf Fig. 5 wird diese Bedingung durch den Bereich, welcher durch die Linien C und D begrenzt wird, erfüllt, in welchem ein Rand von mindestens 0,5 mm für sowohl die erste als auch die zweite Reflektierfläche gewährleistet wird.
Was nun den abgetasteten Winkel 8 s betrifft, der durch 2·θ1 + θ2 dargestellt wird, so wird dieser zur oberen rechten Ecke von Fig. 5 hin größer. Betrachten Sie hier zwei Punkte S1 und S2 innerhalb des Bereichs, welcher durch die Linien C und D in Fig. 5 begrenzt wird. Punkt S1 stellt den Wert gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung dar, wohingegen S2 den Wert gemäß dem Stand der Technik darstellt. Die Werte von θ1 und θ2, θs und die Ränder auf der ersten und der zweiten Reflektierfläche des Polygonspiegels werden in Tabelle 2 für jeden der Punkte S1 und S2 dargelegt. Tabelle 2
Wie klar aus Tabelle 2 zu ersehen ist, steht Punkt S1 mit Punkt S2 in Gegensatz, dahingehend, dass der Rand auf der zweiten Reflektierfläche größer als der Rand auf der ersten Reflektierfläche ist, wodurch ein größerer Wert von θs vorgesehen wird, wobei es sich um den abgetasteten Winkel des optischen Strahls handelt. Konkreter ausgedrückt heißt das, dass je näher ein Punkt C innerhalb des durch die Linien C und D begrenzten Bereichs bei der Linie C liegt, desto näher bei 0,5 mm der Rand auf der ersten Reflektierfläche ist und desto größer als 0,5 mm der Rand auf der zweiten Reflektierfläche ist. Darüber hinaus bewegt sich ein Punkt in jenem Bereich zur oberen rechten Ecke von Figur S. wenn er sich Linie C nähert, und somit wird 8 s entsprechend ansteigen.
Somit kann durch Gewährleisten des erforderlichen Mindestrandes auf der ersten Reflektierfläche, während auf der zweiten Reflektierfläche ein größerer Rand vorgesehen wird, der Wert von θs, bei welchem es sich um den abgetasteten Winkel des optischen Strahls handelt, welcher schließlich abgelenkt wird, nachdem er die zweite Reflektierfläche verlässt, maximiert werden.
Bei den oben dargelegten numerischen Daten wird angenommen, dass der drehende Polygonspiegel von einer vergleichsweise kleinen Größe ist, so dass die Ränder auf der ersten und der zweiten Reflektierfläche nur in einem kleinen Bereich gewährleistet werden können. Allerdings kann dieser Bereich erweitert werden, durch (i) Vergrößern der Größe des drehenden Polygonspiegels, (ii) Verkürzen der Wellenlänge der Lichtquelle, (iii) Verringern der Abtastbreite auf der abzutastenden Zieloberfläche oder (iv) Erhöhen des Durchmessers des fokussierten Bildpunkts auf der Zieloberfläche in Hauptabtastrichtung.
Fig. 6 ist ein Schaubild, welches auf denselben oben besprochenen numerischen Daten aufbaut, abgesehen davon, dass die Größe des drehenden Polygonspiegels erhöht wird, um hinsichtlich des Durchmessers des Inkreises 40 mm zu entsprechen. Die Definitionen der Linien A, B, C und D entsprechen jenen aus Fig. 5. Offensichtlich weist Fig. 6 den durch die Linien A und B begrenzten Bereich auf, welcher in Fig. 5 fehlt, und zudem ist der durch die Linien C und D begrenzte Bereich größer als in Fig. 5.
Zum Vergleichen verschiedener Kombinationen aus θ1 und θ2 in Fig. 6 wollen wir zwei Punkte T1 und T2 gemäß dem Stand der Technik sowie zwei zusätzliche Punkte T3 und T4 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung betrachten und die Kennlinien für die entsprechenden Punkte in Tabelle 3 unten darlegen. Beim im Stand der Technik bekannten Konzept wurde der Rand des optischen Strahls auf der ersten und der zweiten Reflektierfläche in Bezug auf die geometrische Größe jeder Reflektierfläche in Bezug auf die geometrische Größe jeder Reflektierfläche nicht in Betracht gezogen, so dass mitunter Werte ausgewählt wurden, welche den Punkten T1 und T2 entsprechen. Tabelle 3
Wie ebenfalls aus Fig. 6 klar hervorgeht, ist das Verhältnis θ1 zu θ2, d. h., die durch die Transmissionsoptik erzeugte Lateralvergrößerung β, bei Punkt T1, T2 und T3 völlig gleich. Darüber hinaus ist der abgetastete Winkel θs bei Punkt T3 und T4 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung derselbe. Demnach kann selbst beim betrachteten Fall, bei welchem der drehende Polygonspiegel einen vergleichsweise großen größenbezogenen Rand aufweist, der abtastete Winkel θs gegenüber dem im Stand der Technik bekannten Fall (T1 und T2) vergrößert werden, indem gewährleistet wird, dass der Rand auf der ersten Reflektierfläche auf einem Mindestwert von 0,5 mm wie bei den Punkten T3 und T4 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung liegt.
Bei den oben dargelegten numerischen Daten wird die Wellenlänge der Lichtquelle als 670 nm angenommen. Wenn Berechnungen mit dem üblicheren Wert von 780 nm angestellt werden, gibt es jene Kombinationen aus θ1 und θ2 nicht mehr, welche Ränder von mindestens 1 mm auf sowohl der ersten als auch der zweiten Reflektierfläche gewährleisten, und auch keinen Bereich mehr, bei dem ein Rand von mindestens 1 mm auf entweder der ersten oder der zweiten Reflektierfläche gewährleistet wird, wohingegen ein Rand von mindestens 0,5 mm auf der anderen Reflektierfläche gewährleistet wird. Diese Situation ist nachteiliger als bei dem in Fig. 5 abgebildeten Fall, bei dem die Lichtquelle Licht mit einer Wellenlänge von 670 nm abgibt und der Inkreis des drehenden Polygonspiegels einen Radius von 17,32 mm aufweist. Demnach steht fest, dass das Ändern der Wellenlänge der Lichtquelle von 780 nm auf 670 nm in der Lage ist, den Radius des drehenden Polygonspiegels um ungefähr 3 mm zu reduzieren.
Bei der vorliegenden Erfindung wird Abtasten mittels eines optischen Strahls durchgeführt, welchem ermöglicht wird, zweimal auf den drehenden Polygonspiegel aufzutreffen, und dies erfolgt, um die Anzahl von Reflektierflächen des Polygonspiegels zu erhöhen und seine Größe (den Radius seines Inkreises) dennoch auf einen ausreichend kleinen Wert zu reduzieren, welcher seine praktische Herstellung ermöglicht; daher ist es erstrebenswert, den Rand der Reflektierflächen des Polygonspiegels auf den kleinstmöglichen Wert zu reduzieren. Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird der Rand der ersten Reflektierfläche auf eine praktisch durchführbare Grenze reduziert, um auf diese Weise die Größe des drehenden Polygonspiegels zu reduzieren. Dieser Effekt wird durch das Verkürzen der Wellenlänge der Lichtquelle, wie eben oben beschrieben wurde, weiter verstärkt.
Somit kann gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung der abgetastete Winkel θs durch Gewährleisten, dass der Rand des Durchmessers eines optischen Strahls auf einer Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels und seine Bewegung auf der Reflektierfläche in Bezug auf die geometrische Größe der Reflektierfläche auf der zweiten Reflektierfläche größer als auf der ersten Reflektierfläche gemacht werden, vergrößert werden.
Der zweite Vorteil des zweiten Aspekts der Erfindung wird nunmehr beschrieben. Bei der Erfindung wird der optische Strahl, welcher durch die erste Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels abgelenkt wird, mittels der Transmissionsoptik zur zweiten Reflektierfläche gelenkt, und zu diesem Zweck ist erforderlich, dass die optische Achse der Transmissionsoptik richtig in Bezug auf den Drehmittelpunkt des Polygonspiegels angeordnet wird, während gleichzeitig der optische Strahl, welcher auf die zweite Reflektierfläche auftrifft, der Bewegung von Letzterer genau folgen sollte.
Wenn allerdings der optische Strahl durch die Wirkung der Transmissionsoptik dazu gebracht wird, der zweiten Reflektierfläche zu folgen, ist es schwierig sicherzustellen, dass sich der Mittelpunkt des Strahls jederzeit in genauer Deckung mit dem Mittelpunkt jener Reflektierfläche befindet. Diese Schwierigkeit ist auf die folgenden drei typischen Gründe zurückzuführen:
(i) das Resultat paraxialer Berechnungen schwankt bezüglich der Bildhöhe, die in der tatsächlichen Optik erzielt wird; konkreter heißt das, dass selbst wenn der optische Strahl durch die erste Reflektierfläche mit gleichmäßiger Geschwindigkeit abgelenkt wird, sich die lineare Geschwindigkeit erhöhen wird, wenn sich der Auftreffpunkt von der optischen Achse wegbewegt;
(ii) Aberrationen und andere inhärente Eigenschaften der Transmissionsoptik verhindern, dass sich der optische Strahl auf der zweiten Reflektierfläche mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, und dies ergibt eine Kennlinie, welche sich selbst von der in (i) beschriebenen Wirkung unterscheidet, d. h. die lineare Geschwindigkeit steigt,, wenn sich der Auftreffpunkt von der optischen Achse wegbewegt; und
(iii) der Fehler beim Bearbeiten, Zusammenbauen oder Einstellen der Transmissionsoptik wird zu einem Fehler der Position führen, an welcher die optische Achse durch die Transmissionsoptik auf die zweite Reflektierfläche auftrifft.
Auf Grund dieser Ursachen ist der optische Strahl, welcher auf die zweite Reflektierfläche auftrifft, nicht imstande, deren Drehbewegung auf vollkommen exakte Weise zu folgen, sondern es kommt zu einem Fehler. Dieser Fehler wird in der Folge als "Verfolgungsfehler" bezeichnet. Um sicherzustellen, dass sich der folgende optische Strahl nicht über die Grenzen der zweiten Reflektierfläche hinausbewegt, auch wenn der Strahl eine relative Bewegung in einem Maß ausführt, welches dem "Verfolgungsfehler" entspricht, ist es erstrebenswert, die bereits oben besprochenen Ränder auf der zweiten Reflektierfläche größer als auf der ersten Reflektierfläche auszubilden.
Wie bereits oben beschrieben wurde, werden gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung die Ränder der Größe des optischen Strahls auf der zweiten Reflektierfläche in Bezug auf die geometrische Größe der Reflektierfläche derart eingestellt, dass sie größer als die Ränder der Größe des optischen Strahls und seiner relativen Bewegung auf der ersten Reflektierfläche sind, und dies bietet den Vorteil, dass sich, auch wenn der oben definierte "Verfolgungsfehler" auftritt, der optische Strahl, welcher auf die zweite Reflektierfläche auftrifft, nicht über die Grenzen des praktisch nutzbaren Bereichs jener Reflektierfläche hinausbewegt.
Die oben mit Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 beschriebenen Kennlinien gelten nicht nur bei der ersten Ausführungsform der Erfindung sondern auch mit gleichen Ergebnissen für die dritte und vierte Ausführungsform der Erfindung, welche in der Folge beschrieben werden. Es sollte jedoch festgehalten werden, dass, da Transmissionsoptiken von unterschiedlicher Zusammensetzung bei der ersten, der dritten und der vierten Ausführungsform zum Einsatz kommen, die Lateralvergrößerung β, welche durch bekannte Werte von θ1 und θ2 bestimmt wird, durch verschiedene konkrete Konfigurationen der Transmissionsoptik erfüllt wird.
Bei der ersten Ausführungsform der oben beschriebenen Erfindung kann sich die Transmissionsoptik aus einer einzigen Linsengruppe oder einem einzigen Linsenelement zusammensetzen, und dies trägt erheblich zur Realisierung eines kleineren und kostengünstigeren Systems bei.
Bei dieser ersten Ausführungsform der Erfindung läuft der optische Strahl, welcher auf die erste oder die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, durch normales Auftreffen in der Hauptabtastebene zu jenem Zeitpunkt, zu dem der abtastende optische Strahl einen Bereich in der Nähe des Mittelpunkts des erforderlichen Abtastbereichs abtastet. Daher wird, wie bereits erwähnt wurde, ermöglicht, dass der optische Strahl auf jede Reflektierfläche auftrifft, wobei seine optische Achse im Unterabtastquerschnitt geneigt ist, wodurch gewährleistet wird, dass der auftreffende optische Strahl den abgelenkten optischen Strahl, welcher von der Reflektierfläche reflektiert wird, nicht stört. Derselbe Effekt kann durch Kippen der optischen Achse des auftreffenden Strahls in der Hauptabtastebene in Bezug auf jede Reflektierfläche erzielt werden. Die zweite Ausführungsform der Erfindung ist auf diese Weise konstruiert.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf einen optischen Abtaster gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gesehen durch den Hauptabtastquerschnitt. Die optischen Achsen des auftreffenden Strahls und des abgelenkten Strahls sind in der Hauptabtastebene in Bezug auf die erste Reflektierfläche 31 und die zweite Reflektierfläche 32 geneigt, und die Optik kann derart angeordnet werden, dass sie sich gemeinsam mit der Hauptabtastebene erstreckt; daher müssen die optischen Achsen nicht wie bei der ersten Ausführungsform im Unterabtastquerschnitt gekippt sein.
Das einzige Problem bei der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass, da der optische Strahl in einem Winkel auf jeder Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, die Größe der Reflektierfläche in einem Maß vergrößert werden muss, welches der schräg projizierten Länge des Strahldurchmessers entspricht. Insbesondere ist die Größe des optischen Strahls auf der zweiten Reflektierfläche 32 weit größer als auf der ersten Reflektierfläche 31, so dass der Rand des optischen Strahls auf der zweiten Reflektierfläche 32 sorgfältiger Berücksichtigung bedarf. Allerdings kann gemäß dem ersten oder dem zweiten Aspekt der Erfindung der abgetastete Winkel des optischen Strahls dem Stand der Technik gegenüber vergrößert werden, und demnach kann die Größe des optischen Strahls auf der zweiten Reflektierfläche entsprechend verkleinert werden, und dies bedeutet einen großen Vorteil in jenem Fall, bei dem die gesamte Optik wie bei der besprochenen zweiten Ausführungsform in der Hauptabtastebene angeordnet ist.
Nunmehr wird ein optischer Abtaster gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Fig. 8 ist eine Draufsicht auf diesen optischen Abtaster, gesehen gemäß dem Hauptabtastquerschnitt. Ein Halbleiterlaser 1 wird als Lichtquelle verwendet, und der als divergentes Licht abgegebene Laserstrahl wird mittels einer Kollimatorlinse 2 zu einem konvergenten optischen Strahl geformt. Wie bei der ersten Ausführungsform trifft der konvergente optische Strahl auf die erste Reflektierfläche 31 eines drehenden Polygonspiegels 3 auf.
Der durch die erste Reflektierfläche 31 abgelenkte optische Strahl wird konvergent gemacht, wird dann divergent und tritt in die erste Transmissionslinse 42 ein, aus welcher sich die Transmissionsoptik 4 zusammensetzt. Der optische Strahl, welcher aus der ersten Transmissionslinse 42 hervortritt, wird leicht divergent und durch einen Spiegel 51 reflektiert, um in die zweite Transmissionslinse 43 einzutreten. Der optische Strahl, welcher durch die zweite Transmissionslinse 43 tritt, wird kollimiert, und seine optische Achse wird durch einen Reflektierspiegel 52 neu ausgerichtet, ehe er auf die zweite Reflektierfläche 32 des drehenden Polygonspiegels 3 auftrifft.
Wie bei der ersten Ausführungsform wird der Mittelpunkt des optischen Strahls, welcher auf die zweite Reflektierfläche 32 auftrifft, verschoben, um als Reaktion auf seine Ablenkung durch die erste Reflektierfläche 31 dem Mittelpunkt jener Fläche zu folgen. Der optische Strahl, welcher durch die zweite Reflektierfläche 32 abgelenkt wurde, tritt durch eine Abtastlinse 61 und eine Kompensatorlinse 62, um zu einem konvergenten Strahl geformt zu werden, welcher daraufhin auf einer abzutastenden Oberfläche 7 ein fokussiertes Abbild bildet. Die Abtastlinse 61 und die Kompensatorlinse 62 bilden gemeinsam eine Abtastoptik, mit welcher ermöglicht wird, dass ein optischer Strahl, welcher mit einer im Allgemeinen gleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit abgetastet wird, die Oberfläche 7 mit einer gleichmäßigen linearen Geschwindigkeit abtastet.
In Fig. 8 wird die optische Achse des Strahls, welcher auf die erste Reflektierfläche 31 auftrifft, derart dargestellt, dass sie sich mit der optischen Achse des abgelenkten Strahls auf dem Papier überlappt, jedoch sind in Wirklichkeit wie bei der ersten Ausführungsform die beiden optischen Achsen voneinander beabstandet und in Bezug aufeinander in der Unterabtastebene, d. h. in der normal zum Papier verlaufenden Richtung, geneigt. Gleichermaßen sind die optische Achse des Strahls, welcher auf die zweite Reflektierfläche 32 auftrifft, und die optische Achse des abgelenkten Strahls in Bezug aufeinander in einer Ebene geneigt, welche die Drehachse des Polygonspiegels enthält.
Bei der ersten Ausführungsform setzt sich die Transmissionsoptik 4 entweder aus einem einzigen Linsenelement oder einer einzigen Linsengruppe zusammen. Bei der dritten Ausführungsform setzt sich die Transmissionsoptik aus zwei Linsenelementen oder zwei Linsengruppen zusammen. Trotz dieses Unterschieds in der Zusammensetzung ist die Theorie, auf welcher die Transmissionsoptik aufbaut, welche in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, gleichermaßen auf die dritte Ausführungsform anwendbar, wenn die Transmissionsoptik als einzelne Linse betrachtet wird. Insbesondere ist die Gleichung 3, welche die Vergrößerung β der Transmissionsoptik 4 entweder auf die Durchmesser (wi, wo) des optischen Strahls auf der ersten bzw. der zweiten Reflektierfläche oder auf den Rotationswinkel (θ1) des Polygonspiegels und den Ablenkwinkel (θ2) des optischen Strahls, der aus der Transmissionsoptik 4 hervortritt, bezieht, auch auf die dritte Ausführungsform anwendbar.
Verglichen mit der Transmissionsoptik bei der ersten Ausführungsform, welche sich aus dem einzigen Linsenelement 41 zusammensetzt, ermöglicht die Transmissionsoptik 4 bei der dritten Ausführungsform, welche sich aus zwei Linsenelementen (oder zwei Linsengruppen) zusammensetzt, dass die erste Transmissionslinse 42 eine kleine optische Leistung und somit eine kleine wirksame Öffnung aufweist. Mit anderen Worten: Die Transmissionsoptik bei der dritten Ausführungsform weist mehrere Linsenelemente auf, wobei die einzelnen Linsenelemente jedoch einfacher als bei der ersten Ausführungsform hergestellt werden können.
Nunmehr beschreiben wir einen optischen Abtaster gemäß einem veranschaulichenden Beispiel der Erfindung. Fig. 9 ist eine Draufsicht auf diesen optischen Abtaster, gesehen gemäß dem Hauptabtastquerschnitt. Ein Halbleiterlaser 1 wird als Lichtquelle verwendet, und der als divergentes Licht abgegebene Laserstrahl wird mittels einer Kollimatorlinse 2 zu einem konvergenten optischen Strahl geformt. Der konvergente optische Strahl wird in eine Formungslinse 22 eingelassen und in einen Strahl aus parallelem Licht umgeformt, welcher einen vergleichsweise kleinen Durchmesser aufweist. Dieser parallele Strahl trifft auf die erste Reflektierfläche 31 eines drehenden Polygonspiegels 3 auf.
Der optische Strahl, welcher durch die erste Reflektierfläche 31, abgelenkt wurde, wird in die erste Transmissionslinse 44 eingelassen, aus welcher sich die Transmissionsoptik 4 zusammensetzt. Die erste Transmissionslinse 44 formt den auftreffenden optischen Strahl zu einem konvergenten Strahl um, welcher ein fokussiertes Bild bildet, ehe er auf einen Reflektorspiegel 51 auftrifft. Zu diesem Zeitpunkt ist der abgelenkte optische Strahl divergent, und er tritt daraufhin in die zweite Transmissionslinse 45 ein. Die zweite Transmissionslinse 45 ist derart angeordnet, dass ihr vorderer Brennpunkt mit dem hinteren Brennpunkt der ersten Transmissionslinse 44 zusammenfällt, und diese beiden Linsenelemente stellen gemeinsam eine afokale Optik dar. Infolgedessen wird der optische Strahl, welcher durch die Transmissionslinse 44 tritt, wieder kollimiert, und seine optische Achse wird durch einen Reflektorspiegel 52 neu ausgerichtet, ehe er auf die zweite Reflektierfläche 32 des drehenden Polygonspiegel 3 auftrifft.
Infolge der Ablenkung durch die erste Reflektierfläche 31 wird die optische Achse des optischen Strahls, welcher auf die zweite Reflektierfläche 32 auftrifft, verschoben, um dem Mittelpunkt jener zweiten Reflektierfläche zu folgen. Der durch die zweite Reflektierfläche 32 abgelenkte Strahl tritt durch eine Abtastlinse 61 und eine Kompensatorlinse 62, um zu einem konvergenten Strahl geformt zu werden, welcher daraufhin auf der abzutastenden Oberfläche 7 ein fokussiertes Abbild bildet. Die Abtastlinse 61 und die Kompensatorlinse 62 stellen gemeinsam eine Abtastoptik dar, mit welcher ermöglicht wird, dass ein optischer Strahl, welcher mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit abgetastet wird, die Oberfläche 7 mit einer gleichmäßigen linearen Geschwindigkeit abtastet.
In Fig. 9 wird die optische Achse des Strahls, welcher auf die erste Reflektierfläche 31 auftrifft, derart dargestellt, dass sie sich mit der optischen Achse des abgelenkten Strahls auf dem Papier überlappt, wobei jedoch wie bei der ersten oder dritten Ausführungsform die beiden optischen Achsen in Wirklichkeit voneinander beabstandet sind und in Bezug aufeinander in der Unterabtastebene, d. h. in der normal zum Papier verlaufenden Richtung, geneigt sind. Gleichermaßen sind die optische Achse des Strahls, welcher auf die zweite Reflektierfläche 32 auftrifft, und die optische Achse des abgelenkten Strahls in Bezug zueinander in einer Ebene geneigt, welche die Drehachse des Polygonspiegels enthält.
Die Wirkung der Transmissionsoptik im optischen Abtaster gemäß einem veranschaulichenden Beispiel der Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. Die Transmissionsoptik im optischen Abtaster, welcher oben mit Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben wurde, ist entlang dem optischen Weg ausgerichtet, welcher die Reflektorspiegel 51 und 52 umfasst, und wird in Fig. 10 im Hauptabtastquerschnitt dargestellt.
Der parallele optische Strahl, welcher auf die erste Reflektierfläche 31 auftrifft, weist auf dieser Reflektierfläche einen Durchmesser wi auf. Da die Transmissionsoptik 42 afokal ist, wird der optische Strahl zu einem parallelen Strahl umgeformt, welcher an der Position der zweiten Reflektierfläche 32 einen Durchmesser wo aufweist. Demnach ist das Strahldurchmesserverhältnis wo zu wi (wo/wi) gleich f2 dividiert durch f1, wobei f1 die Brennweite der ersten Transmissionslinse 44 und f2 die Brennweite der zweiten Transmissionslinse 45 ist.
Wie bei der ersten oder dritten Ausführungsform wird, wenn sich der Polygonspiegel 3 um einen Winkel θ1 dreht, der optische Strahl, welcher auf die erste Reflektierfläche 31 auftrifft, um das Doppelte des Winkels θ1 abgelenkt. Der abgelenkte optische Strahl tritt durch die Transmissionslinsen 44 und 45, um weiter um einen Winkel θ2 abgelenkt zu werden. Dieser optische Strahl kreuzt die optische Achse bei Punkt Q. Daraufhin trifft der optische Strahl auf die zweite Reflektierfläche 32 auf, und an diesem Auftreffpunkt ist der Abstand zwischen dem abgelenkten optischen Strahl und der optischen Achse gleich δ, wobei es sich hier um jenes Maß handelt, um welches sich jede Reflektierfläche bewegt, wenn sich der Polygonspiegel 3 um den Winkel θ1 dreht.
In diesem Fall wird der abgelenkte optische Strahl weiter in eine Richtung abgelenkt, derart, dass der Auftreffwinkel auf der zweiten Reflektierfläche um den Winkel θ2 zunimmt, so dass der abgetastete Winkel θs des optischen Strahls, welcher von der zweiten Reflektierfläche reflektiert wird, als θs = 2·θ1 + θ2 ausgedrückt wird. Mit anderen Worten: Der Ablenkwinkel des optischen Strahls kann verglichen mit dem üblichen System, bei welchem der optische Strahl nur einmal auf den drehenden Polygonspiegel auftrifft, oder mit dem System, bei welchem der optische Strahl der Bewegung der zweiten Reflektierfläche 32 durch Ausführen einer Parallelverschiebung folgt, um θ2 vergrößert werden.
Beim veranschaulichenden Beispiel ist die Transmissionsoptik 4 afokal, so dass die Lateralvergrößerung β, welche sie erzeugt, gleich f2 dividiert durch f1 oder dem Verhältnis von wo zu wi (wo/wi) ist. Darüber hinaus weist der abgelenkte optische Strahl einen Ablenkwinkel auf, welcher von 2·θ1 auf θ2 geändert wird, wenn er durch die Transmissionsoptik 4 tritt, und somit wird die Lateralvergrößerung β ebenfalls durch 2·θ1/θ2 ausgedrückt. Demnach kann die Lateralvergrößerung β folgendermaßen ausgedrückt werden: (Gleichung 6)
Wie aus Fig. 10 hervorgeht, ist die erste Transmissionslinse 44 in einer Entfernung S1 von der ersten Reflektierfläche 31 angeordnet. Der optische Strahl, welcher durch die erste Reflektierfläche 31 abgelenkt wird, wird durch die erste Transmissionslinse 44 neu ausgerichtet, und sein Hauptstrahl kreuzt die optische Achse bei Punkt Q', welcher in einem Abstand S2 von der ersten Transmissionslinse 44 entfernt liegt.
Der optische Strahl, welcher sich zu Punkt Q' hinbewegt, wird durch das Auftreffen auf die zweite Transmissionslinse 45 neu ausgerichtet, und sein Hauptstrahl kreuzt die optische Achse bei Punkt Q, welcher in einem Abstand S3 von der zweiten Transmissionslinse 45 entfernt liegt. Punkt Q' liegt in einem Abstand von S2' von der zweiten Transmissionslinse 45 entfernt.
Der optische Strahl, welcher die optische Achse bei Punkt Q kreuzt, trifft auf die zweite Reflektierfläche 32 auf, welche in einer Entfernung S4 von Punkt Q angeordnet ist.
Die Vorzeichenkonvention von S1, S2, S2' und S3 ist derart, dass sie im Bildraum von den jeweiligen Transmissionslinsen aus gesehen alle positiv sind.
Wie bereits festgehalten wurde, weisen die Transmissionslinsen 44 und 45 entsprechende Brennweiten f1 und f2 auf, womit S1 und S2 durch Gleichung 7 auf f1 bezogen werden können, wohingegen S2' und S3 durch Gleichung 8 auf f2 bezogen werden können wie folgt: (Gleichung 7) (Gleichung 8)
Nunmehr auf δ bezugnehmend, das Ausmaß an Bewegung, welches erforderlich ist, damit der abgelenkte optische Strahl der zweiten Reflektierfläche 32 folgt, so ist dieser Wert paraxial gleich S4 (der Entfernung vom Kreuzungspunkt Q zur zweiten Reflektierfläche 32) multipliziert mit dem Winkel θ2.
Als nächstes wenden wir uns der Brennweite der Abtastoptik zu. Wir bezeichnen mit fs die Brennweite der Abtastoptik in der Hauptabtastrichtung, welche bewirkt, dass der abgelenkte optische Strahl von der zweiten Reflektierfläche 32 ein fokussiertes Abbild auf der abzutastenden Oberfläche bildet. Bei einer sogenannten "fθ"-Optik, welche ermöglicht, einen Abbildungspunkt auf der abzutastenden Oberfläche an Position y anzuordnen, deren Abweichung von der optischen Achse proportional zum abgetasteten Winkel θ' des optischen Strahls ist, gilt die Beziehung y = fs·θ'. Eine Hälfte der erforderlichen Abtastbreite Y wird abgetastet, während sich der Polygonspiegel um den Winkel θ1 dreht. Durch Substituieren von y durch Y/2 und Ersetzen von θ' durch θs, was mittels θ1 und θ2 ermittelt wird, kann man fs ermitteln. Wenn nun fs bekannt ist, kann der Durchmesser wo des optischen Strahls auf der Reflektierfläche 32 durch Gleichung 4 berechnet werden, welche in Zusammenhang mit der Beschreibung der ersten Ausführungsform dargelegt wurde. Wenn nun wo bekannt ist, kann wi ebenfalls anhand von Gleichung 6 oder 2 ermittelt werden.
Die Beziehung zwischen der geometrischen Größe einer Reflektierfläche des Polygonspiegels und dem Rand der Größe eines optischen Strahls auf der Reflektierfläche, wie sie in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform durch Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 beschrieben wurde, gilt auch bei der oben beschriebenen vierten Ausführungsform. Somit werden die Vorteile des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung unabhängig von der konkreten Zusammensetzung der Transmissionsoptik erreicht.
Bei der bereits beschriebenen ersten, dritten oder vierten Ausführungsform der Erfindung ist der optische Strahl, welcher auf die erste oder zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonalspiegels auftrifft, durch ein normales Auftreffen in der Hauptabtastebene zu jenem Zeitpunkt gekennzeichnet, zu dem der abtastende optische Strahl einen Bereich in der Nähe des Mittelpunkts des erforderlichen Abtastbereichs abtastet. In der Praxis weist der optische Strahl, welcher an einer Position auftrifft, die von dem normalen Auftreffen versetzt ist, allerdings auf Grund der Drehbewegung der Reflektierflächen des Polygonspiegels einen Winkel in Bezug auf die Reflektierfläche auf, und genau genommen ist der Durchmesser des optischen Strahls auf der Reflektierfläche um ein Maß vergrößert, welches jenem Winkel entspricht.
Es sollte auch festgehalten werden, dass zu jenem Zeitpunkt, zu dem der optische Strahl normal auf jede Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, die optische Achse der strahlformenden Optik oder Transmissionsoptik nicht unbedingt mit dem Mittelpunkt der Reflektierfläche in der Hauptabtastrichtung zusammenfällt, und es kann ein geringer Versatz (oder eine geringe Asymmetrie) vorliegen, je nach der konkreten Konstruktion des optischen Abtasters.
Gleicherweise muss die relative Bewegung E des optischen Strahls, welcher auf die erste Reflektierfläche auftrifft, das Kippen jener Reflektierfläche in Bezug auf den auftreffenden Strahl in Betracht ziehen.
Die Wirkungen eines derartigen Kippens sind vernachlässigbar, wenn der Rotationswinkel θ1 des Polygonspiegels klein ist, wenn dieser jedoch groß genug ist, müssen die Wirkungen beim Berechnen der Ränder der Reflektierflächen entsprechend in Betracht gezogen werden.
Bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurden die Wirkungen des Kippens beim Berechnen von wi' und wo', welche die Durchmesser des optischen Strahls auf der ersten bzw. der zweiten Reflektierfläche darstellen, aus wi und wo, welche die Durchmesser des optischen Strahls darstellen, ehe dieser auf jene Reflektierflächen auftrifft, in Betracht gezogen.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der optische Strahl, welcher auf die erste oder die zweite Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels auftrifft, nicht durch normales Auftreffen sondern durch Auftreffen in einem Winkel in der Hauptabtastrichtung über den gesamten Bereich des erforderlichen Abtastbereichs gekennzeichnet. Bei einem Fall wie diesem sind die vorhin genannten Wirkungen des Kippens beträchtlich, und die Ränder der Reflektierflächen müssen unter Berücksichtigung dir Durchmesser des optischen Strahls, gemessen auf den Reflektierflächen, berechnet werden.
Es versteht sich, dass, wenn Berechnungen für die zweite Ausführungsform unter Berücksichtigung der Neigung des auftreffenden Strahls in Bezug auf die Reflektierflächen in der Hauptabtastebene angestellt werden, die Ränder der Reflektierflächen kleiner werden als die Werte, welche durch Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 dargestellt werden. Selbst in diesem Fall kommt der Vorteil des zweiten Aspekts der Erfindung, welcher auf die Tatsache des Vorsehens größerer Ränder auf der zweiten Reflektierfläche für diese Größe für den Durchmesser des optischen Strahls und die relative Bewegung des optischen Strahls als auf der ersten Reflektierffläche zurückzuführen ist, in einem gleichen Ausmaß zum Tragen.
Allerdings werden bei der ersten und der dritten Ausführungsform, bei denen die optische Achse eines Strahls, der auf den drehenden Polygonspiegel auftrifft, seine optische Achse kreuzt, bessere Ergebnisse erzielt, und dies ist darauf zurückzuführen, dass die Größe des optischen Strahls auf jeder Reflektierfläche des Polygonspiegels ausreichend klein ausgeführt wird, um die Größe des Polygonspiegels zu reduzieren.
Wie beschrieben wurde, bildet beim optischen Abtaster gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung der konvergente optische Strahl, welcher auf die erste Reflektierfläche eines drehenden Polygonspiegels auftrifft, ein fokussiertes Abbild an einem Punkt, der zwischen der ersten Reflektierfläche und der ersten Linse in der Transmissionsoptik liegt; dies gewährleistet, dass der optische Strahl auf der ersten Reflektierfläche einen größeren Durchmesser in der Hauptabtastebene aufweisen wird, wodurch zufriedenstellendes Abtasten ohne jegliche nachteiligen Wirkungen auf die Abbildung auf der abzutastenden Oberfläche, welche andernfalls durch Mängel oder Staubansammlungen auf den Reflektierflächen des Polygonalspiegels verursacht würden, ermöglicht wird.
Zudem kann die Brennweite des Transmissionsoptik ausreichend erweitert werden, um nicht nur die Herstellung von Linsen in der Transmissionsoptik zu erleichtern, sondern auch die Präzision, welche beim Anbringen der Optik in einem optischen Abtaster erforderlich ist, zu reduzieren und damit zur Realisierung eines kostengünstigen und dennoch zuverlässigen Systems beizutragen. Überdies kann die Transmissionsoptik in einer ausreichenden Entfernung von der ersten Reflektierfläche des Polygonspiegels angeordnet werden, was die Auslegung der Optik rund um die erste Reflektierfläche vereinfacht und somit zur größenmäßigen Reduktion des Systems beiträgt.
Als weiterer Vorteil wird der abgetastete Winkel des abtastenden optischen Strahls, welcher durch die zweite Reflexion vom drehenden Polygonspiegel erhalten wird, groß genug ausgelegt, um die Brennweite fs der Abtastoptik zu verkürzen und dadurch die Reduktion ihrer Gesamtgröße zu ermöglichen.
Wenn die Vergrößerung β, welche durch die Transmissionsoptik im optischen Abtaster gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, derart eingestellt wird, dass sie im Bereich von 2 bis 20 liegt, kann der abgetastete Winkel des abtastenden optischen Strahls größer als beim im Stand der Technik bekannten System ausgebildet werden, bei dem ermöglicht wird, dass der auftreffende Strahl auf die erste Reflektierfläche konvergiert, und dies ermöglicht, dass die zuvor genannten Vorteile in vollem Ausmaß zum Tragen kommen.
Insbesondere im Fall, bei dem β zwischen 6 und 12 liegt, kann die Transmissionsoptik mit einem breiten Spielraum ausgebildet werden, während der abgetastete Winkel des abtastenden optischen Strahls kaum Schwankungen von einem optimalen Wert weg unterliegt, und dies ermöglicht nicht nur die Optimierung von Aberrationen, welche in die Transmissionsoptik einfließen, sondern auch die Verkleinerung von Linsen in jener Optik.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung setzt sich die Transmissionsoptik aus einem einzigen Linsenelement oder einer einzigen Linsengruppe zusammen, und dennoch kann die Lateralvergrößerung, welche diese erzeugt, auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, und dies trägt in großem Maß zur Realisierung einer kleineren und kostengünstigeren Transmissionsoptik bei.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden die Ränder des Durchmessers und der relativen Bewegung des optischen Strahls auf einer Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels in Bezug auf die geometrische Größe der Reflektierfläche auf der zweiten Reflektierfläche größer als auf der ersten Reflektierfläche ausgebildet; dies ermöglicht, den abgetasteten Winkel θs des optischen Strahls in der Abtastoptik zu vergrößern, was zu einer kürzeren Brennweite fs beiträgt, wodurch eine kompakte Abtastoptik realisiert wird.
Wenn die Ränder auf den Reflektierflächen auf jene Werte eingestellt werden, welche die oben dargelegte Bedingung erfüllen und welche die erforderlichen Mindestwerte sind, kann die Größe des Polygonspiegels einfach minimiert werden. Infolgedessen muss durch den Motor zum Antreiben des Polygonspiegels ein geringes Drehmoment erzeugt werden, und zudem ist eine verhältnismäßig geringe Steifigkeit für das Lager erforderlich; somit kann ein kostengünstiger Motor verwendet werden.
Mit anderen Worten: Wenn es nicht erforderlich ist, die Größe des Polygonspiegels erheblich zu reduzieren, kann die Anzahl von Reflektierflächen erhöht werden, um einen entsprechenden Anstieg der Anzahl von Abtastzyklen je Einheitszeit zu erreichen.
Beim zweiten Aspekt der Erfindung werden die Ränder des Durchmessers und der relativen Bewegung des optischen Strahls auf einer Reflektierfläche des drehenden Polygonspiegels in Bezug auf die geometrische Größe der Reflektierfläche auf der zweiten Reflektierfläche größer als auf der ersten Reflektierfläche ausgebildet, und dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass, selbst wenn ein "Verfolgungsfehler" von jener Art, wie er oben bereits definiert wurde, auftritt, der optische Strahl, welcher auf die zweite Reflektierfläche auftrifft, nicht über die Grenzen ihres praktisch nutzbaren Bereichs hinausgeht.
Bei der ersten und der dritten Ausführungsform der Erfindung ist der optische Strahl, welcher auf eine Reflektierfläche des Polygonspiegels auftrifft, durch normales Auftreffen in der Hauptabtastebene am Mittelpunkt des erforderlichen Abtastbereichs gekennzeichnet. Dies ist jedoch bei der zweiten Ausführungsform nicht der Fall. Verglichen mit dieser zweiten Ausführungsform kann der optische Strahl auf jeder Reflektierfläche des Polygonspiegels und somit der Polygonspiegel selbst ausreichend klein ausgelegt werden, um die Vorteile des zweiten Aspekts der Erfindung weiter zu verstärken.
Der auftreffende optische Strahl weist einen größeren Durchmesser auf der zweiten Reflektierfläche als auf der ersten Reflektierfläche auf, und somit erweist sich das System, welches ermöglicht, dass der optische Strahl normal auf die Reflektierfläche in der Hauptabtastebene am Mittelpunkt des erforderlichen Abtastbereiches auftrifft, auf der zweiten Reflektierfläche als besonders wirksam.
Beim herkömmlichen optischen Abtaster wird ein Halbleiterlaser, der eine Strahlung im nahen Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von ungefähr 780 nm abgibt, als Lichtquelle verwendet. Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann dieser durch einen Halbleiterlaser ersetzt werden, welcher sichtbares rotes Licht mit einer Wellenlänge kürzer als 700 nm abgibt, und unter der Annahme, dass ein drehender Polygonspiegel 12 Reflektierflächen aufweist, kann der Radius seines Inkreises auf ungefähr 3 mm reduziert werden. Wenn der Radius des Inkreises des Polygonspiegels derselbe ist, ermöglicht das erfindungsgemäße System, dass letzterem eine weitere Reflektierfläche hinzugefügt wird.

Claims

1. Optischer Abtaster, umfassend:

eine Lichtquelle (1);

einen drehenden Polygonspiegel (3), welcher wenigstens eine erste Reflektierfläche (31) zum Ablenken eines optischen Strahls von der Lichtquelle (1) und eine zweite Reflektierfläche (32) aufweist; und

eine Transmissionsoptik, welche wenigstens eine Linse (41) aufweist, mit welcher ermöglicht wird, dass der optische Strahl, welcher durch die erste Reflektierfläche (31) des drehenden Polygonspiegels (3) abgelenkt wird, auf die zweite Reflektierfläche (32) des drehenden Polygonspiegels (3) auftrifft, wobei der optische Strahl, welcher auf die zweite Reflektierfläche (32) des drehenden Polygonspiegels (3) auftrifft, davon abgelenkt wird, um einen abtastenden optischen Strahl zu erzeugen, welcher eine vorgegebene abzutastende Oberfläche (7) abtastet,

wobei der optische Abtaster eine strahlformende Optik (2) zum Umformen des optischen Strahls von der Lichtquelle (1) in einen konvergenten optischen Strahl umfasst, wobei der konvergente optische Strahl auf die erste Reflektierfläche (31) auftrifft;

dadurch gekennzeichnet, dass der konvergente optische Strahl ein fokussiertes Abbild der Lichtquelle (1) an einem Punkt bildet, welcher für alle Drehpositionen des drehenden Polygonspiegels (3) dauerhaft zwischen der ersten Reflektierfläche (31) des drehenden Polygonspiegels (3) und der Linse (41) der Transmissionsoptik angeordnet ist.

2. Optischer Abtaster gemäß Anspruch 1, wobei ein β- Wert in einem Bereich von 2 bis 20 liegt, wobei β gleich θ1 mal zwei dividiert durch θ2 ist, wobei θ1 der Rotationswinkel des drehenden Polygonspiegels (3) in jenem Fall ist, in dem der abtastende optische Strahl am weitesten von der optischen Achse entfernt angeordnet ist, und θ2 der Ablenkwinkel ist, welchen der optische Strahl von der Transmissionsoptik mit der optischen Achse bildet, wenn er auf die zweite Reflektierfläche (32) des Polygonspiegels (3) auftrifft und wenn dieser um den Winkel θ1 gedreht wurde.

3. Optischer Abtaster gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der optische Strahl, welcher auf die Reflektierfläche (32) auftrifft, der Bewegung der zweiten Reflektierfläche (32) gemäß der Drehung des Polygonspiegels (3) folgt, und

wobei während eines Zeitraums, während welchem der abtastende Strahl einen vorgegebenen Bereich der abzutastenden Oberfläche (7) abtastet, eine geometrische Größe der zweiten Reflektierfläche (32) in einer Umfangsrichtung des Polygonspiegels (3) minus wo' größer ist als die geometrische Größe der ersten Reflektierfläche (31) in der Umfangsrichtung des Polygonspiegels (3) minus wi' minus E,

wobei:

wi' ein maximaler Erstreckungswert des konvergenten Strahls auf der ersten Reflektierfläche (31), gemessen in der Umfangsrichtung des Polygonspiegels (3), ist,

wo' ein maximaler Erstreckungswert des optischen Strahls von der Transmissionsoptik auf der zweiten Reflektierfläche (32), gemessen in der Umfangsrichtung des Polygonspiegels (3), ist,

E eine Strecke ist, entlang welcher sich der Strahl auf der ersten Reflektierfläche (31) während des Zeitraums bewegt, während dessen der abtastende optische Strahl den vorgegebenen Bereich abtastet.

4. Optischer Abtaster gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transmissionsoptik ein Einzel-Linsen-Element umfasst.

5. Optischer Abtaster gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel, in welchem der konvergente optische Strahl auf die erste Reflektierfläche (31) auftrifft, wenn der abtastende optische Strahl in der Nähe des Mittelpunkts des vorgegebenen Bereiches abtastet, senkrecht zur ersten Reflektierfläche (31) in der Hauptabtastebene verläuft.

6. Optischer Abtaster gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel, in welchem der optische Strahl, der aus der Transmissionsoptik hervortritt, auf die zweite Reflektierfläche (32) auftrifft, wenn der abtastende optische Strahl in der Nähe des Mittelpunkts des vorgegebenen Bereichs abtastet, senkrecht zur zweiten Reflektierfläche (32) in der Hauptabtastebene verläuft.

7. Optischer Abtaster gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (1) ein Halbleiterlaser ist, welcher sichtbares Laserlicht mit einer Wellenlänge von höchstens 700 nm abgibt.