DE69925409T2

DE69925409T2 - Laserdrucker unter Verwendung von mehrfachen Lasergruppen mit mehrfachen Wellenlängen

Info

Publication number: DE69925409T2
Application number: DE69925409T
Authority: DE
Inventors: Michael E. Rochester Harrigan; Badhri Rochester Narayan
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2019-03-20
Also published as: EP0947335A2; DE69925409D1; US6064417A; EP0947335B1; JPH11314407A; EP0947335A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Laserprinter, die mehrere Sätze von Lasern zur Belichtung eines lichtempfindlichen Mediums verwenden und insbesondere Farblaserprinter, bei denen jeder Lasersatz über mindestens zwei Laser unterschiedlicher Wellenlänge verfügt.
Laserprinter, die mehrere Laser als Lichtquelle verwenden, sind in der Technik bekannt. Derartige Laser werden vorwiegend aus einem von insgesamt zwei Gründen verwendet, wie nachfolgend beschrieben.
Erstens dienen mehrere Laser derselben Wellenlänge dazu, die Druckgeschwindigkeit eines Laserprinters zu erhöhen, indem ein lichtempfindliches Medium gleichzeitig mit mehreren Lichtstrahlen abgetastet und belichtet wird. Diese Laserstrahlen bilden mehrere benachbarte Laserpunkte, die gleichzeitig über ein lichtempfindliches Medium während eines Durchgangs einer einzelnen Polygonfacette geführt werden. Auf diese Weise werden mehrere Zeilen des lichtempfindlichen Mediums gleichzeitig belichtet, was schnellere Laserprinter ermöglicht.
Die Lichtstärkeverteilung jedes Laserpunkts an dem lichtempfindlichen Medium entspricht in etwa einer Gaußschen Verteilung. Die Durchmesser der belichteten Pixel sind gleich den Durchmessern der Laserpunkte bei einer Stärke von 50%. Ein gravierendes Problem bei dem simultanen Drucken mit mehreren Punkten besteht darin, eine ausreichende Überlagerung der benachbarten, belichteten Pixel auf dem lichtempfindlichen Medium zu erzielen, um einheitlich belichtete Flächen ohne Bildartefakte zu erhalten. Wenn diese Pixel und somit die belichteten Abtastzeilen keine ausreichende Überlagerung ihrer Intensitätsprofile aufweisen, sind die einzelnen Abtastzeilen auf den Prints störend wahrnehmbar. Ein Printer, der mehrere Laser benutzt, um ein lichtempfindliches Medium gleichzeitig zu belichten, muss daher über Mittel für eine entsprechende Überlagerung der belichteten Pixel und für die Erstellung geeigneter Punktgrößen verfügen. Die folgenden Patente beschreiben unterschiedliche Ansätze zur Erstellung geeigneter Laserpunktüberlagerungen und somit zu einer einwandfreien Pixelbelichtung und Abtastzeilenüberlagerung auf dem lichtempfindlichen Medium.
US-A-4,253,102 beschreibt einen Printer, der eine gewünschte Abtastzeilenteilung (d.h. die Beabstandung zwischen den Abtastzeilen) erzeugt, indem er eine geneigte Halbleiter-Laseranordnung mit einer Vielzahl von Laserlichtquellen nutzt. Diese Laserlichtquellen sind in einer Reihe angeordnet, die zur Zeilenabtastrichtung geneigt ist. In diesen Anordnungen arbeiten alle Laserlichtquellen mit gleicher Wellenlänge. Die Teilung der Laserlichtquellen auf dieser Anordnung ist P_o (wie in 2 dieses Patents gezeigt). Die Abtastung des lichtempfindlichen Mediums mit Laserstrahlen, die von dieser Anordnung erzeugt werden, also im Winkel θ geneigt (siehe 3 dieses Patents) erzeugt eine Teilung der Laserpunkte auf dem lichtempfindlichen Medium von P' = P_ocos(θ).
US-A-4,393,387 beschreibt zudem einen Printer mit einer Halbleiter-Laseranordnung und einer Vielzahl von Laserlichtquellen. Dieser Printer erzeugt die gewünschte Teilung der Laserpunkte auf dem lichtempfindlichen Medium und somit die gewünschte Zeilenteilung, indem er ein Prisma verwendet, das die scheinbare Teilung der Laserlichtquellen ändert. Die Teilung der Laserpunkte auf dem lichtempfindlichen Medium quer zur Abtastrichtung kann zudem mithilfe von Reflektoren, wie in US-A-4,445,126 gezeigt, auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Ein weiteres Verfahren zur Einstellung der Teilung der Laserpunkte wird in US-A-5,463,418 beschrieben, worin die Schwerpunkte der Intensitätsverteilung der Laserpunkte mithilfe einer Aperturblende näher zueinander verschoben werden. Diese Aperturblende ist in dem Laserstrahlengang und vor einem Polygon angeordnet. Der Rahmen der Aperturblende deckt einen Teil des Querschnitts des Laserstrahls ab, wodurch nicht einheitliche Laserpunkte mit entsprechendem Lichtverlust erzeugt werden. US-A-4,637,679 verwendet polarisierende Strahlenkombinatoren, um mehrere Laserlichtstrahlen so zu verbinden, dass sich diese in der primären Abtastrichtung überlagern, aber um den erforderlichen Betrag quer zur Abtastrichtung getrennt sind. Die polarisierenden Strahlenkombinatoren absorbieren etwas Licht und bewirken daher einen Lichtverlust.
Es ist ebenso möglich, den Schreibvorgang mit weiter beabstandeten Abtastzeilen auszuführen, solange die dazwischen liegenden Abtastzeilen in späteren Abtastdurchgängen belichtet werden. Dieses Verfahren wird als versetztes Drucken bezeichnet und wird in US-A-4,806,951 und 4,900,130 beschrieben.
Die vorstehend beschriebenen Laserprinter sind keine Farbprinter. Sie sind nicht in der Lage, Farbprints zu erstellen, da alle Laser mit der gleichen Wellenlänge arbeiten. In den vorstehend beschriebenen Laserprintern treten zudem achsenversetzte Laserstrahlen in die dem Polygon nachgeordnete Optik ein, wodurch diese Laserprinter durch gebogene Abtastzeilen beeinträchtigt werden. Das Problem der gebogenen Abtastzeilen wird in der vorliegenden Spezifikation an späterer Stelle beschrieben.
Ein zweiter Grund für die Verwendung mehrerer Laser in Printern ist das Drucken farbiger Bilder. Hierzu wird das lichtempfindliche Medium belichtet, das gegenüber zwei oder mehr Lichtwellenlängen empfindlich ist, indem Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge moduliert werden. Diese Art von Laserprintern ist in der Technik bekannt und derartige Printer werden in US-A- 4,728,965; 5,018,805; 5,471,236; 5,305,023; 5,295,143 und US-A-5,666,447 beschrieben. Diese Laserprinter sind langsam, weil sie jedes Pixel auf dem lichtempfindlichen Medium mit einem Laserstrahl unterschiedlicher Wellenlänge belichten und jede Zeile jeweils einzeln abtasten müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mehrere Zeilen eines lichtempfindlichen Mediums mit Laserstrahlen gleichzeitig zu belichten, wobei jeder der Laserstrahlen in der Lage ist, Laserpunkte von zwei oder mehr Wellenlängen an einem gegebenen Pixel eines lichtempfindlichen Mediums zu erzeugen, wodurch diese Pixel mit Licht, das unterschiedliche Farbwellenlängen enthält, belichtet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Farbprinter zur Bilderzeugung auf einer Bildebene:

(a) eine Vielzahl von Lichtquellen, von denen jede einen räumlich kohärenten, zusammengesetzten Lichtstrahl erzeugt, wobei die zusammengesetzten Lichtstrahlen eine Vielzahl spektraler Komponenten aufweisen;
(b) eine einzelne strahlenformende Optik, welche die zusammengesetzten Strahlen entgegennimmt, wobei die strahlenformende Optik optische Elemente aufweist, die die zusammengesetzten Strahlen um einen geringen Betrag in einer Abtastrichtung und in einer quer dazu verlaufenden Richtung formen, derart, dass sie für jeden der zusammengesetzten Strahlen (i) eine erste Strahleneinschnürung in der quer verlaufenden Abtastrichtung des zusammengesetzten Strahls und (ii) eine zweite Strahleneinschnürung in der Abtastrichtung des zusammengesetzten Strahls bilden, wobei die erste und die zweite Strahleneinschnürung voneinander beabstandet sind;
(c) eine Umlenkeinrichtung zum Bewegen der Vielzahl zusammengesetzter Strahlen über die Bildebene, wobei sich die Umlenkeinrichtung näher an der ersten Strahleneinschnürung befindet als an der zweiten; und
(d) eine Abtastoptik, die zwischen der Umlenkeinrichtung und der Bildebene angeordnet ist und (i) die Umlenkeinrichtung zu einem lichtempfindlichen Medium hin in der quer verlaufenden Abtastrichtung eines jeden zusammengesetzten Strahls für jede der spektralen Komponenten geometrisch beugt und (ii) die erste und zweite Einschnürung wieder auf der Bildebene abbildet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Farbprinters, der drei Lasersätze und ein rotierendes Polygon umfasst.
1b und 1c detaillierte, schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels des Printers aus 1a.
1b dem Polygon vorgelagerte Printerkomponenten.
1c dem Polygon nachgelagerte Printerkomponenten.
2 eine schematische Darstellung der Art und Weise, wie die Laserstrahlen zu einem der Modulatoren des Printers von 1a gelenkt werden.
3 eine schematische Darstellung der Art und Weise, wie Laserstrahlen mit Fasern verbunden und dann auf die Modulatoren des Printers aus 1a gelenkt werden.
4 eine schematische Darstellung einer an einem Ausgabeende einer strahlenverbindenden Faser gebildeten Einschnürung eines zusammengesetzten Strahls.
5a eine schematische Darstellung von drei strahlenverbindenden Fasern mit reduziertem Fasermanteldurchmesser.
5b eine ungleiche Trennung zwischen der Faserabdeckung, wenn sich die Fasermanteldurchmesser voneinander unterscheiden.
6 einen V-förmigen Block mit drei Fasern.
7 den geneigten V-förmigen Block aus 6.
8 einen Wellenleiter mit einer Vielzahl von Kanälen.
9a gebogene Abtastzeilen.
9b das Wachstum von Pixeln auf dem lichtempfindlichen Medium.
10 und 11 schematische Ansichten zur Darstellung eines Laserstrahls mit einem Satz von Einschnürungen W₁ in einer Ebene und einem weiteren Satz von Einschnürungen W₂ in einer anderen Ebene.
12 eine Draufsicht zur Darstellung der Anordnung des Linsenelements in der in 1b gezeigten Linse f-θ.
13 eine schematische Darstellung der Farbtrennung entlang der Abtastzeile der Oberfläche eines lichtempfindlichen Mediums.
14a eine schematische Darstellung der Linse f-θ aus 12 in Verbindung mit einem Planspiegel und einem zylindrischen Spiegel sowie eines gebeugten Laserstrahls, der durch die Linse f-θ tritt und auf das lichtempfindliche Medium fällt.
14b–14d drei perspektivische Ansichten der Linse f-θ aus 12, eine dem Polygon vorgelagerten Strahlenformungs- und Fokussierungsoptik, ein dem Polygon nachgelagerter zylindrischer Spiegel und eine zugehörigen Bildoberfläche.
14e ein Ausführungsbeispiel des dem Polygon nachgelagerten zylindrischen Spiegels.
15a–15c Ansichten der Linse f-θ, des Planspiegels und des zylindrischen Spiegels aus 14a. 15a–15c die Bahn des gebeugten Laserstrahls für die Polygondrehungen von 0°, –13,5°, bzw. +13,5°.
16 eine Aberrationskurve zur Darstellung der Differenzen der optischen Bahn am Mittelpunkt einer Abtastzeile in allen drei Wellenlängen.
17 eine schematische Darstellung, wie verschiedene Laserstrahlen Pixel zu einer gegebenen Zeit T₁ schneiden.
18 eine schematische Darstellung, wie verschiedene Pixel auf dem lichtempfindlichen Medium rote, grüne und blaue Laserstrahlen zu verschiedenen Zeiten aufnehmen.
In der folgenden Erörterung und in der gesamten Spezifikation bedeutet der Begriff „Seitenrichtung" die Richtung quer zur Abtastrichtung. Dies ist die rechtwinklig zur Abtastzeile verlaufende Richtung, die durch eine Drehung eines Polygons oder eines anderen Ablenkers erzeugt wird. Der Begriff „Zeilenrichtung" bedeutet die Richtung entlang der Abtastzeile, die durch die Drehung des Polygons oder eines anderen Ablenkers erzeugt wird. Diese Richtungen sind im Zusammenhang des lokalen Koordinatensystems einer optischen Komponente zu sehen, wobei das Koordinatensystem durch Klappspiegel geneigt wird. Die optische Achse des Printer ist die Z-Achse, die Seitenrichtung ist die X-Richtung und die Zeilenrichtung ist die Y-Richtung.
Ein in 1a gezeigter Printer 10 verwendet eine Vielzahl von Laserstrahlen 12, 14, 16, die durch mehrere Sätze 20 von Lasern 22, 24, 26 erzeugt werden. Jeder Satz 20 der Laser 22, 24, 26 stellt eine Vielzahl von Laserstrahlen aus drei verschiedenen Wellenlängen bereit (beispielsweise rot R, grün G und blau B). Die Vielzahl der Laserstrahlen 12, 14, 16 für jeden Satz 20 der Laser 22, 24, 26 werden (wie nachfolgend beschrieben) zu einem zusammengesetzten Strahl verbunden, wodurch mehrere zusammengesetzte Strahlen entstehen, und zwar einer für jeden Lasersatz. Diese Vielzahl von zusammengesetzten Strahlen wird gleichzeitig über einem lichtempfindlichen Medium abgetastet, das gegenüber diesen drei verschiedenen Wellenlängen empfindlich ist, wobei mehrere Zeilen des lichtempfindlichen Mediums mit Bilddaten belichtet werden. Das lichtempfindliche Medium wird in einer Seitenrichtung schneller bewegt, als würde nur jeweils eine Zeile des lichtempfindlichen Mediums belichtet werden, wodurch Farbprints schneller erstellt werden. Vorzugsweise erfolgt die Abtastung mit mehreren zusammengesetzten Strahlen durch einen einzelnen Deflektor, wobei eine einzelne f-θ Linse verwendet wird, um alle diese zusammengesetzten Strahlen auf dem lichtempfindlichen Medium zu fokussieren. Vorzugsweise werden diese zusammengesetzten Strahlen in dichter Nähe zueinander gehalten, weil sich die Bildqualität verschlechtert, wenn die zusammengesetzten Strahlen zu einer optischen Achse der Linse f-θ weiter entfernt angeordnet sind. Die vorliegende Spezifikation beschreibt zwei Ausführungsbeispiele eines Halters, der die erforderliche Nähe vorsieht.
Der Printer 10 aus 1a, 1b und 1c umfasst einen Digitalbildspeicher 11. Dieser Digitalbildspeicher enthält drei Werte für jedes Pixel aus den jeweiligen abgetasteten Abtastzeilen, wobei jeder der drei Werte die Stärke darstellt, die an einer von drei Wellenlängen erforderlich ist, um auf einem zugehörigen lichtempfindlichen Medium eine richtige Farbe zu erzeugen. Wie bereits vorstehend erwähnt, nutzt der Printer eine Vielzahl von roten, grünen und blauen Laserstrahlen 12, 14, 16, die durch mehrere Sätze 20 von Lasern 22, 24, 26 erzeugt werden. Diese Laserstrahlen 12, 14 und 16 werden an eine Vielzahl von Lichtstärkemodulato ren weitergeleitet. In diesem Ausführungsbeispiel werden die akustisch-optischen Modulatoren 32, 34 und 36 zur Modulation der Lichtstärke von Laserstrahlen 12, 14 und 16 entsprechend den Bildinformationen verwendet. Akustisch-optische Modulatoren sind in der Technik bekannt. Andere Mittel zur Modulation der Laserstrahlen sind ebenfalls verwendbar.
Jeder dieser akustisch-optischen Modulatoren 32, 34, 36 moduliert den zugehörigen Laserstrahl durch Veränderung dessen Stärke je nach den bereitgestellten Bilddaten. Dies wird nachstehend detaillierter im Abschnitt „Korrektur lateraler Farbfehler" besprochen. Alle drei Laserstrahlen werden gleichzeitig simuliert.
2 und 3 zeigen zwei Beispiele, wie die Laserstrahlen 12, 14, 16 aus den Laserquellen an die Modulatoren gekoppelt werden. 2 zeigt, dass ein Laserstrahl 12 durch eine monochromatische Fokussierlinse 31 zur Bildung einer Strahleneinschnürung an dem Modulator auf den Modulator 32 gerichtet wird. Eine ähnliche Anordnung wird für die Laserstrahlen 14 und 16 verwendet. 3 zeigt, dass die Laserstrahlen 12, 14, 16 alternativ durch einen faseroptischen Verbinder 23, 25, 27 an eine Einmodenfaser gekoppelt werden können. Der faseroptische Verbinder umfasst eine erste Fokussierlinse 23a, 25a, 27a, eine Faser 23b, 25b, 27b und einen Faserhalter 23c, 25c, 27c mit mechanischer Bewegungsfähigkeit zur genauen Lokalisierung und Beibehaltung der Position auf der Faser in Bezug zum Laserstrahl 12, um so die Menge des mit der Faser gekoppelten Lichts zu maximieren. Die am Ende der Faser 23b, 25b, 27b gebildete Strahleneinschnürung wird von einer zweiten Linse 23d, 25d, 27d neu abgebildet, um am Modulator 32, 34, 36 eine entsprechende Strahleneinschnürung zu bilden. Die Faser 23b, 25b, 27b macht den Laserstrahl kreisförmig, worauf am Modulator 32, 34, 36 eine kreisförmige Strahleneinschnürung gebildet wird.
Die modulierten Laserstrahlen (rot, grün, blau) aus jedem Lasersatz 20 werden mithilfe optischer Kombinatoren, wie beispielsweise die in 1a und 1b gezeigten konventionellen faseroptischen Multiplexer 40, optisch zu einer Vielzahl zusammengesetzter Strahlen 42 verbunden (jeder zusammengesetzte Strahl weist rote, grüne und blaue Komponenten auf). Die faseroptischen Multiplexer 40 weisen geeignete Faserverbinder auf (ähnlich den faseroptischen Verbindern 23, 25, 27), um die aus den Modulatoren austretenden Laserstrahlen an die Eingangsfasern 40a, 40b, 40c des faseroptischen Multiplexers 40 zu koppeln (1b). Die Ausgabeseite jedes faseroptischen Multiplexers 40 erzeugt somit eine Strahleneinschnürung unterschiedlicher Größe in jeder der drei Farben am Ausgabeende jeder der strahlenverbindenden Fasern 40d (siehe 4). Die Ausgabeseite jeder Faser 40d wird zu einer Quelle einer der zusammengesetzten Strahlen 42 und entspricht einer Abtastzeile des lichtempfindlichen Mediums. Weil der Printer 10 mehrere zusammengesetzte Laserstrahlquellen umfasst, die in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet sind, werden mehrere benachbarte Zeilen aus Bilddaten gleichzeitig belichtet, wodurch der Farbprinter schneller wird als die vorstehend beschriebenen Farbprinter.
Die strahlenverbindenden Fasern 40d sind optische Einmodenfasern. Die an der Ausgabeseite jeder strahlenverbindenden Faser 40d gebildeten Strahleneinschnürungen sind coplanar. In einem Ausführungsbeispiel betragen die Radien dieser Einschnürungen bei Leistung exp(-2): 0,00189 mm bei λ=532 nm (grüne Farbe G), 0,00172 mm bei λ=457,9 nm (blaue Farbe B) und 0,00237 mm bei λ=685 nm (rote Farbe R). Die an der Ausgabeseite jeder strahlenverbindenden Faser 40d gebildeten Strahleneinschnürungen sind kreisförmig.
Die Verwendung von Multiplexern an dem Halter hat den Vorteil, dass sich die Ausgabeseiten der strahlenverbindenden Fasern als eine Einheit drehen lassen, sobald die strahlenverbindenden Fasern fest gehalten werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei Bedarf nur einer der Laser ausgewechselt zu werden braucht, anstatt die Lichtquelle mit einer Vielzahl von Laserstrahlen auswechseln zu müssen. Das macht die optische Ausrichtung wesentlich einfacher, weil nur die einem bestimmten Laser zugeordnete Optik neu ausgerichtet werden muss.
Die zusammengesetzten Strahlen (aus roten, blauen und grünen Komponenten) treten aus den Multiplexern 40 (an den Ausgabeseiten der strahlenverbindenden Fasern 40d) aus. Vorzugsweise sind die zusammengesetzten Strahlen sehr eng zueinander angeordnet. Diese enge Anordnung wird durch eine Halterung 43 ermöglicht. Zwei Ausführungsbeispiele des Halters 43 werden nachstehend beschrieben.
Die Kerne der strahlenverbindenden Fasern enthalten nahezu die gesamte Laserleistung. Daher müssen die Kerne an der Ausgabeseite dieser Fasern sehr eng zueinander angeordnet werden. Die Positionierung der Kerne an den Ausgabeseiten der strahlenverbindenden Fasern 40d in enger Nähe zueinander ist ein Problem, da die Kerne der Fasern einen sehr kleinen Durchmesser d₁ im Vergleich zum Außendurchmesser d₂ des Fasermantels aufweisen, was das Maß beschränkt, wie eng die Kerne im Verhältnis zueinander angeordnet werden können. Die Kerndurchmesser d₁ sind üblicherweise kleiner als 4 μm, während der Manteldurchmesser d₂ typischerweise ca. 125 μm beträgt. Auch wenn sich die Fasern untereinander berühren, sind die Kerndurchmesser um ca. 65 μm voneinander getrennt. Dieses Maß wird vorzugsweise verringert.
Eine Lösung für diese große Beabstandung der Kerne besteht darin, den äußeren Mantel jeder strahlenverbindenden Faser chemisch wegzuätzen oder anderweitig zu reduzieren, so dass an der Ausgabeseite der strahlenverbindenden Fasern ein kegelförmiges Profil entsteht. Derartige Fasern 40d werden in 5a gezeigt. Wenn man den Mantel zu dicht am Kern ätzt, werden die Stärkenprofile der austretenden zusammengesetzten Strahlen beeinträchtigt. Dieser Effekt lässt sich minimieren, wenn der äußere Manteldurchmesser der Faser d₂ nicht auf das Dreifache des Kerndurchmessers d₁ reduziert wird. Wenn die kegelförmigen Enden Außendurchmesser von ca. 20 μm aufweisen und die Ätzung um den Kern herum gleichmäßig ist und die Faserenden bündig aneinander anliegen, sind die Mittelpunkte der Faserkerne lediglich um 20 μm voneinander getrennt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Abstand zwischen den Faserkernen konstant oder nahezu konstant sein sollte (kleiner als 10% Abweichung), um eine gleichmäßige Belichtung auf dem lichtempfindlichen Medium zu erzielen. Wenn einige Fasern stärker als andere Fasern geätzt sind und die Mäntel der Fasern bündig aneinander liegen, sind die Faserkerne nicht um ein konstantes Maß voneinander getrennt. Dies wird in 5b gezeigt. Die unregelmäßige Beabstandung der Faserkerne erzeugt eine übermäßige oder unzureichende Pixelüberlagerung auf dem lichtempfindlichen Medium, was die gleichmäßige Belichtung auf dem lichtempfindlichen Medium erschwert. Es ist sorgfältig darauf zu achten, dass die Verringerung der Faserummantelung um die Fasern herum gleichmäßig ist.
Nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die in 6 gezeigte Halterung 43 ein V-Block. Der V-Block weist eine Vielzahl von V-förmigen Rillen 43a auf, wobei die Ausgabeseiten der strahlenverbindenden Fasern 40d durch diese Rillen 43a in enger Beabstandung gehalten werden. Der V-Block kann beispielsweise aus Silicium oder Quarz bestehen. 6 zeigt eine Seitenansicht der Ausgabeenden der strahlenverbindenden Fasern mit reduziertem Mantel, so dass die Außendurchmesser d₂ das Dreifache der Kerndurchmesser d₁ aufweisen. Der V-Block stellt sicher, dass die Kerne der strahlenverbindenden Fasern mittig auf ihren Außendurchmessern angeordnet sind. Es sei darauf hingewiesen, dass es wichtig ist, die Kerne mittig zu den Manteldurchmessern auszurichten, um eine gleichmäßige Beabstandung der belichteten Pixel zum lichtempfindlichen Medium zu erzielen.
Die Kerne an den Ausgabeenden der strahlenverbindenden Fasern werden als Lichtquellen der zusammengesetzten Strahlen 42 verwendet. Auch eine kleine Trennung (von beispielsweise 10 μm) zwischen den Mittelpunkten dieser Faserkerne kann daher eine unerwünscht große Trennung zwischen den belichteten Pixeln bewirken, was unerwünschte Artefakte in das Bild einbringt. Es ist daher eine bestimmte Vorrichtung oder ein Betriebsverfahren erforderlich, um eine einwandfreie Überlagerung der belichteten Pixel auf dem lichtempfindlichen Medium zu erzielen. Eine Möglichkeit besteht darin, (i) die Ausgabeenden der strahlenverbindenden Fasern in den V-Block zu legen, wie vorstehend beschrieben, und (ii) den V-Block zu drehen, wie in 7 gezeigt, um die gewünschte Teilung zwischen den Lichtquellen zu erzielen, d.h. die gewünschte Beabstandung zwischen den Kernen der Ausgabeenden der strahlenverbindenden Fasern. Wegen der Neigung des V-Halters scheinen die Lichtquellen dichter beabstandet zu sein, so dass sich die Stärkeverteilung der auf dem lichtempfindlichen Medium erzeugten Laserpunkte quer zur Abtastrichtung ausreichend überlagert. Die Teilung P der Faserkerne erzeugt eine Teilung P', wenn die Anordnung der Faserkerne um einen Winkel q geneigt wird. Die folgende Gleichung bezieht sich auf diese Parameter: P' = P cos (q)
Indem die Anordnung der Faserkerne um einen großen Winkel geneigt wird, lässt es sich vermeiden, dass sich die Dicke der Ummantelung an den Enden der strahlenverbindenden Fasern 42 verringert. Wenn die Ummantelung einen Durchmesser von beispielsweise 125 μm und der Kern einen Durchmesser von 5 μm aufweist und die gewünschte Teilung 5 μm beträgt, würde ein Neigungswinkel von 87,71 Grad die notwendige Teilung der Laserpunkte auf dem lichtempfindlichen Medium ergeben. Allerdings bewirken derart große Neigungswinkel eine Anfälligkeit gegenüber Teilungsänderungen durch Fehler im Neigungswinkel, weil sogar relativ kleine Änderungen im Neigungswinkel q eine relativ große Änderung der Teilung der belichteten Pixel bewirken.
Eine einwandfreie Punktüberlagerung in der Zeilenabtastrichtung lässt sich durch elektronische Zeitsteuerung der Pixelbelichtung bewirken.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Halter 43 eine Wellenführung mit einem Satz von Eingabeöffnungen, einem Satz von Ausgabeöffnungen und einem Satz von Kanälen 43b, die die Eingabeöffnungen mit den Ausgabeöffnungen verbinden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Ausgabefasern 40d mit den Eingangsöffnungen der Wellenführungskanäle 43b gekoppelt. Die Kanäle 43b sind so beschaffen, dass sich die Beabstandungen 43c zwischen den Kanälen 43b verringern, während die zusammengesetzten Strahlen durch die Kanäle treten, wie in 8 gezeigt. Die Querschnittsgröße (d.h. Breite und Höhe) jedes Wellenführungskanals 43b wird über die Länge beibehalten, so dass die aus den Ausgabeöffnungen der Wellenführungskanäle austretenden zusammengesetzten Strahlen im Wesentlichen die gleiche Größe wie die eintretenden verbundenen Strahlen aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel dienen die Ausgabeöffnungen der Kanäle als Lichtquellen der eng beabstandeten zusammengesetzten Strahlen.
Die mit einer ungleichmäßigen Ätzung der Fasermäntel verbundenen Probleme lassen sich vermeiden, wenn die Enden der strahlenverbindenden Fasern mit den Eingabeöffnungen der Wellenführungskanäle gekoppelt werden, wie in 8 gezeigt. Diese Kopplung bedarf keiner Ätzung der Mäntel. Individuell hergestellte Wellenführungen, wie die in 8 gezeigte, sind kommerziell von Photonic Integration Research, Inc., Columbus, OH, USA, erhältlich. Um den Leistungsverlust an der Kopplungsschnittstelle zu minimieren, ist es wichtig, einen Einmodenwellenleiter zu verwenden, dessen Grundmode der Modenfeldgröße der strahlenverbindenden Faser weitgehend entspricht. Wenn mit direkter Kopplung gearbeitet wird, müssen die strahlenverbindenden Fasern lateral zu den Wellenführungskanälen so angeordnet werden, dass die engen Toleranzanforderungen erfüllt werden (beispielsweise sollten die X- und Y-Toleranzen kleiner als 10% des endgültigen Kerndurchmessers sein). Die optische Achse jeder strahlenverbindenden Faser muss mit der Achse der Wellenführungskanäle ausgerichtet werden, um eine maximale gekoppelte optische Leistung zu erzielen. Verfahren zur einwandfreien Kopplung der optischen Fasern mit den Wellenfihrungskanälen sind in der Technik bekannt.
Um ein Übersprechen zu vermeiden, müssen die Kanäle der Wellenführung sogar an den Ausgabeenden der Wellenführung getrennt werden. Es kann daher schwierig sein, die austretenden Strahlen eng genug zu beabstanden, auch wenn man die in 8 gezeigte, verbesserte Wellenführung verwendet. Es kann daher notwendig sein, ein anderes, zusätzliches Verfahren zu verwenden, um eine ausreichende Überlagerung der belichteten Abtastzeilen auf dem lichtempfindlichen Medium zu gewährleisten. Hierzu kann die Wellenführung beispielsweise in ähnlicher Weise wie der V-Block geneigt werden, so dass die Zeile der das Medium belichtenden Laserpunkte die gewünschte Teilung aufweist. Ähnliche Ergebnisse sind durch zeilenversetztes Drucken erzielbar. Die Wellenführung hat den gleichen Vorteil wie die in einem V-Block gehalterten Fasern. Die Wellenführung kann unabhängig von den Laserquellen und dem Rest des optischen Systems geneigt sein. Ein Vorteil der Wellenführung gegenüber Fasern in einem V-Block besteht darin, dass sich die Kanalabmessungen der Wellenführung und die Teilung leichter kontrollieren lassen als die Position der Faserkerne innerhalb ihrer reduzierten Ummantelung.
Eine andere Möglichkeit, überlagernde Punkte zu erzeugen (mit ca. 50% der Stärkeprofile) ist das zeilenversetzte Drucken, wobei das lichtempfindliche Medium mit getrennten Abtastzeilen belichtet wird, und wobei der unbelichtete Bereich zwischen diesen Zeilen in späteren Durchgängen der getrennten Lichtstrahlen belichtet wird. Die Abtastzeilen müssen durch ein Mehrfaches der gewünschten Teilung beabstandet sein. Das zeilenversetzte Drucken lässt sich mit dem Drucken kombinieren, das eine geneigte Laserpunkt-Abtastzeile benutzt.
Die Abtastung wird üblicherweise mit einem einzelnen Lichtstrahl durchgeführt, der in einer Ebene abgetastet wird, die die optische Achse der dem Polygon nachgeordneten Abtastoptik enthält (beispielsweise eine f-θ Linse). Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung ist diese Ebene eine YZ-Ebene. Der Printer verwendet eine Vielzahl zusammengesetzter Strahlen. Diese zusammengesetzten Strahlen sind in Bezug zueinander versetzt und sollten auf dem lichtempfindlichen Medium (1 c) eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen Abtastzeilen erzeugen. Weil nur einer dieser zusammengesetzten Strahlen in einer Ebene abgetastet werden kann, die die optische Achse enthält, sind die meisten verbundenen Strahlen nicht in dieser YZ-Ebene enthalten und treten achsenversetzt in die Abtastoptik ein. Es konnte festgestellt werden, dass mit achsenversetzten Lichtstrahlen, die von der Abtastoptik abgetastet werden, eine Reihe von Problemen auftreten, wobei die Schwere der Probleme mit dem Maß des Versatzes der achsenversetzten Lichtstrahlen zunimmt. Diese Probleme werden nachfolgend beschrieben.
Erstens folgen achsenversetzte Lichtstrahlen einer gekrümmten Abtastbahn, wodurch die gebogenen Abtastzeilen auf dem lichtempfindlichen Medium entstehen (siehe 9a). Zweitens weisen achsenversetzte Strahlen einen unterschiedlichen und im Allgemeinen größeren Astigmatismus (im Vergleich zu dem achsenkonformen Strahl) auf, was eine Abweichung in den Pixelabmessungen und in der Pixelform der achsenversetzten Strahlen bewirken kann, die über das lichtempfindliche Medium abgetastet werden (siehe 9b). Drittens haben achsenversetzte Lichtstrahlen aufgrund der Feldkrümmung der Abtastoptik eine nicht fehlerfreie Nebenachsenbeziehung zwischen der Polygonfacette und dem lichtempfindlichen Medium in Richtung quer zur Abtastung. Diese Probleme und deren Lösungen werden nachfolgend detaillierter beschrieben.
Wie vorstehend erwähnt, besteht das erste Problem beim gleichzeitigen Abtasten mehrerer zusammengesetzter Strahlen darin, dass diese verbundenen Strahlen nicht in der Ebene liegen, die die optische Achse der Abtastoptik enthält, was zur Erzeugung gebogener Abtastlinien führen kann. Das Maß der Biegung erhöht sich, je größer die Abstände zwischen den zusammengesetzten Strahlen sind. Es ist daher höchst wünschenswert, dass die zusammengesetzten Strahlen so dicht wie möglich beabstandet sind, so dass sie in Nähe der optischen Achse der Abtastoptik liegen. Das Maß der Biegung lässt sich weiter minimieren, indem die verzeichnende Abtastoptik derart verwendet wird, das die Abtastposition (z.B. die Lage des Laserpunkts auf dem lichtempfindlichen Medium) proportional zum Sinus des Winkels des in die Abtastoptik eintretenden, zusammengesetzten Strahls ist (beispielsweise die f-θ Linse). Die Verwendung der Optik quer zur Abtastrichtung, die eine optische Konjugation der Polygonfacette (wie im Abschnitt „Pyramidenfehlerkorrektur" der vorliegenden Beschreibung beschrieben) zum lichtempfindlichen Medium bewirkt, reduziert das Maß der Biegung ebenfalls erheblich. Diese Konjugation bewirkt, dass jeder zusammengesetzte Strahl, der auf oder in Nähe der Polygonfacette 61 abgebildet wird, (für alle drei Farben) durch einen Punkt auf dem lichtempfindlichen Medium tritt. Diese Punkte bilden bei Drehung des Polygons drei Linien. Die Tatsache, dass die zusammengesetzten Strahlen in Bezug zur Abtastoptik achsenversetzt sind, macht diese Konjugation unvollkommen, aber der Fehler ist so klein, dass er ignoriert werden kann, wenn die verbundenen Strahlen nur um mehrere (≅3 bis 6) Strahlen radien achsenversetzt sind. Mit diesen achsenversetzten Strahlen sind andere Fehler verbunden, die jedoch kein Problem darstellen, solange der Versatz der Strahlen in Bezug zur optischen Achse groß ist. Im Rahmen der vorliegenden Anwendung liegt der Versatz höchstens in der Größenordnung von mehreren Strahlendurchmessern, so dass diese Fehler hier nicht besprochen werden. Ein anderer Grund dafür, ein gutes Konjugium zwischen der Polygonfacette und dem lichtempfindlichen Medium zu wahren, ist die Kompensation von Pyramidenfehlern in den Polygonfacetten. Eine einwandfreie Beziehung der optischen Konjunktion kompensiert Pyramidenfehler des Polygons und die von der Abtastoptik erzeugten gebogenen Linien, die die achsenversetzten, zusammengesetzten Strahlen verarbeitet.
Wie vorstehend erwähnt, unterliegen die achsenversetzten zusammengesetzten Strahlen zudem einem Astigmatismus. Dies führt primär zu einem Zuwachs der Laserpunkte auf dem lichtempfindlichen Medium während der Drehung des Polygons. Somit wachsen die Pixelgrößen während der Polygondrehung. Ein gewisses Pixelwachstum ist tolerierbar. Das Pixelgrößenwachstum bleibt kontrollierbar, solange die zusammengesetzten Strahlen nicht zu stark achsenversetzt sind und solange der Polygonabtastwinkel nicht zu groß ist. Das Maß des tolerierbaren Pixelgrößenwachstums hängt von den Bildqualitätsanforderungen eines bestimmten Printers ab. In dem Printer 10 ist das Pixelwachstum beispielsweise auf 25% begrenzt.
Das dritte Problem, d.h. das Problem der unvollkommenen Abbildung quer zur Abtastrichtung zwischen der Polygonfacette und dem lichtempfindlichen Medium während der Drehung des Polygons ist potenziell das gravierendste Problem. Die Bewegung der Polygonfacette bewirkt eine Fokusveränderung der Facette auf dem Bild im Querabtastbereich der zusammengesetzten Strahlen. Dieses Phänomen wird auch als Querabtastfeldkrümmung bezeichnet. Glücklicherweise lässt sich ein gewisser Anteil dieser polygoninduzierten Querabtastfeldkrümmung durch die Feldkrümmung der Abtastoptik kompensieren (beispielsweise durch die Feldkrümmung der Linse f-θ), aber leider verbleibt eine Unvollkommenheit über der Abtastlinie. Dies kann in den Abschnitten des Bildes zur Streifenbildung führen, in denen die Feldkrümmung sehr stark ist. Beim Entwurf einer geeigneten Abtastoptik ist darauf zu achten, dass die Feldkrümmung die vom Polygon erzeugte Feldkrümmung nicht noch verstärkt.
Nachdem die dicht angeordneten zusammengesetzten Strahlen 42 durch die strahlenverbindenden Fasern 40d und durch die Halterung 43 getreten sind, werden die Strahlen zunächst zu einer apochromatischen Fokussierlinse 50 und dann zu einem einzelnen Satz einer strahlenformenden Optik 52 gelenkt (1b). Die Fokussierlinse 50 bildet die drei kreisförmigen Strahleneinschnürungen (rot R, grün G, blau B), die am Ausgabeende 40d jeder strahlenverbindenden Faser erzeugt werden, auf einen zweiten Satz von größeren Strahleneinschnürungen ab, was die Divergenz der drei zusammengesetzten Strahlen verringert. Die Fokussierlinse 50 ist apochromatisch, um zu gewährleisten, dass eine Vielzahl von drei (abgebildeten) größeren, kreisförmigen Strahleneinschnürungen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Vielzahl von drei größeren, kreisförmigen Strahleneinschnürungen, die von der Fokussierlinse 50 erzeugt werden, umfasst eine Vielzahl von zusammengesetzten Strahleneinschnürungen, die die Eingabe zur strahlenformenden Optik 52 darstellen.
Die strahlenformende Optik 52 umfasst zwei zylindrische Spiegel 54 und 56. Der erste zylindrische Spiegel 54 strahlt nur in Seitenrichtung ab. Der zweite zylindrische Spiegel 56 strahlt nur in Zeilenrichtung ab. In einem Ausführungsbeispiel hat der erste zylindrische Spiegel 54 einen konkaven Radius von -119,146 mm in der x-z-Ebene und ist in der x-z-Ebene geneigt, um die zusammengesetzten Strahlen um sechs Grad abzulenken. Der zylindrische Spiegel 56 hat einen konkaven Radius von -261,747 mm in der y-z-Ebene und ist in der y-z-Ebene geneigt, um die Richtung des zusammengesetzten Strahls in der Richtung wiederherzustellen, die er vor dem Auftreffen auf dem zylindrischen Spiegel 54 hatte. Der zylindrische Spiegel 54 formt jeden der zusammengesetzten Strahlen 42 so, dass eine Vielzahl von zusammengesetzten Strahleneinschnürungen in Seitenrichtung gebildet wird. Jede zusammengesetzte Strahleneinschnürung umfasst drei (im Wesentlichen coplanare) Einschnürungen W₁, und zwar eine für jede der drei Wellenlängen. Diese Einschnürungen befinden sich in der Ebene 57 an oder nahe der Polygonfacette 61 (siehe 1b und 10). Der zylindrische Spiegel 56 formt zudem den zusammengesetzten Strahl 52 derart, dass eine Vielzahl zusammengesetzter Einschnürungen in Zeilenrichtung gebildet wird (jede mit drei coplanaren Einschnürungen, eine für jede der drei Wellenlängen). Diese Sätze aus drei (R, G, B) Einschnürungen W₂ sind in der Ebene 73 (11) ungefähr einen Meter entfernt hinter dem Scheitelpunkt V₁ der Linse f-θ 70 angeordnet (siehe 12). Die Linse wird detailliert im Abschnitt „F-θ Linse" der vorliegenden Beschreibung besprochen. Größe und Lage der Einschnürungen für jede der drei Wellenlängen wird im Abschnitt „Strahlenformung und Pyramidenkorrektur" der vorliegenden Beschreibung besprochen. Der erfindungsgemäße Printer ist zur Verwendung mit einer beliebigen Strahlenformungsoptik geeignet, die Einschnürungen an den Stellen erzeugt, die im Abschnitt „Strahlenformung und Pyramidenkorrektur" der vorliegenden Beschreibung genannt werden.
Wie vorstehend erwähnt, werden die zusammengesetzten Strahlen 42 nach Formung durch die strahlenformende Optik 52 zur Polygonfacette 61 geleitet. Diese Facette 61 befindet sich auf oder in Nähe der Ebene 57. Zwar ist in der vorliegenden Erfindung ein rotierender Polygonablenker verwendbar, aber andere Abtastmittel oder Ablenker sind ebenfalls verwendbar, solange sie in der Lage sind, die zusammengesetzten Strahlen so stark abzulenken, wie dies bei der vom Printer benötigten hohen Geschwindigkeit erforderlich ist.
Im Mittelpunkt der Abtastzeile (hier als Polygondrehung 0° definiert) beträgt der Einfallswinkel des zusammengesetzten Strahls auf die Polygonfacette 61 30°. Die auf die Polygonfacette 61 einfallenden zusammengesetzten Strahlen 42 und der von der Polygonfacette 61 reflektierte zusammengesetzte Strahl 42 bilden eine Ebene, die senkrecht zur Polygondrehachse 63 verläuft. Mit anderen Worten hat der Einfallswinkel keine Komponente in der Seitenrichtung.
Bei Reflexion von der Polygonfacette 61 treten die abgelenkten, zusammengesetzten Strahlen 42 in die f-θ Abtastlinse 70 ein, während sie in einer Ebene abgetastet werden, die senkrecht zur Drehachse 63 des Polygons verläuft. Wie vorstehend erwähnt, umfasst jeder zusammengesetzte Strahl 42 (in Verbindung mit der f-θ Linse auch als Eingangsstrahlen bezeichnet) drei kohärente, koaxiale Laserstrahlen mit einer perspektivischen Wellenlänge von 458 nm, 532 nm und 685 nm, wobei die Strahlencharakteristik durch den faseroptischen Multiplexer 40, die Fokussierlinse 50 und die strahlenformenden Spiegel 54 und 56 bestimmt wird. Die in 12 dargestellte Linse 70 umfasst Mittel zur Korrektur der primären und sekundären axialen Farbaberration. Die eigentliche f-θ Linse 70 ist nicht auf laterale Farbfehler korrigiert. Daher sind rote, blaue und grüne Punkte getrennt, wie in 13 schematisch dargestellt. Der Printer 10 ist auf laterale Farbfehler korrigiert, indem die roten, grünen und blauen Farblaserstrahlen bei drei verschiedenen Datenraten moduliert werden, wie nachstehend beschrieben. Die Linse 70 ist so korrigiert (nach Anwendung einer linearen elektronischen Korrektur), dass restliche laterale Farbfehler unbedeutend sind. Eine detaillierte Beschreibung der Linse 70 findet sich im Abschnitt „F-θ Linse" der vorliegenden Anmeldung.
Nach Durchtreten der f-θ Linse 70 werden die zusammengesetzten Strahlen 42 von einem konjugierenden, zylindrischen Spiegel 80 abgelenkt, bevor sie auf das lichtempfindliche Medium 100 fallen. (Siehe 14a, 14c, 14d). Die optische Leistung des zylindrischen Spiegels 80 liegt nur in der X-Z-Ebene (Seitenrichtung) (14e). Der zylindrische Spiegel 80 korrigiert Pyramidenfehler der Polygonfacetten. Dies wird nachstehend detaillierter im Abschnitt „Korrektur von Strahlen- und Pyramidenfehlern" besprochen.
Ein planer Klappspiegel 84 kann zwischen der f-θ Linse 70 und dem zylindrischen Spiegel 80 oder zwischen dem zylindrischen Spiegel 80 und der Bildoberfläche 99 angeordnet werden, um die Bildoberfläche 99 in eine gewünschte Lage zu bringen, wo sie (zumindest in Zeilenabtastrichtung) mit dem lichtempfindlichen Medium 100 übereinstimmt. Ein derartiger Klappspiegel 84 hat auf die Leistung des Printers keinen Einfluss. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Bildoberfläche 99 eine Ebene.
Wie vorstehend erwähnt, erzeugt jeder faseroptische Multiplexer 40 eine Strahleneinschnürung unterschiedlicher Größe in jeder der drei Farben am Ausgabeende der Faser 40d. Da die Linse 70 darauf ausgelegt ist, mit den zusammengesetzten Strahlen 42 zusammenzuwirken, nachdem diese durch eine gemeinsame apochromatische Fokussierlinse und eine gemeinsame apochromatische Strahlenformungsoptik 52 getreten sind, ist die Größe der roten, grünen und blauen Punkte auf der Bildoberfläche 99 für die drei Wellenlängen unterschiedlich. Die Punkte auf der Bildoberfläche 99 behalten die gleiche relative Größe wie die roten, grünen und blauen Einschnürungen am Ausgabeende jeder strahlenverbindenden Faser 40d. Die Abweichung der Punktgröße zwischen den Wellenlängen beeinträchtigt die wahrgenommene Bildqualität nicht wesentlich.
In dem konkreten Ausführungsbeispiel betragen die Radien der vom Printer 10 auf der Bildoberfläche 99 bei Leistung (exp(-2) erzeugten Laserpunkte: 0,035 mm bei λ=532nm, 0,032mm bei λ=457,9 nm und 0,044 mm bei λ=685 nm. Wie vorstehend erwähnt, stimmt die Bildoberfläche 99 der f-θ Linse 70 mit der Lage des lichtempfindlichen Mediums 100 überein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das lichtempfindliche Medium 100 ein konventionelles fotografisches Papier. Das Papier liegt auf einem Träger 100', der das Papier in eine vorbestimmte Richtung bewegt. Das Schreiben von Punkten dieser Größe auf dem lichtempfindlichen Medium 100 über eine Abtastzeile von 30,5 cm Länge erzeugt eine ausrei chende Auflösung, wenn die resultierenden Prints bei normalem Betrachtungsabstand untersucht werden. Diese Punkte (rot, blau, grün) beziehen sich auf die Bilder, die von den zusammengesetzten Strahlen spontan erzeugt werden. Die Punkte werden in einer Reihe erzeugt, wobei sich ihre Lage mit der Drehung des Polygons ändert. Jedes Pixel auf der Seite empfängt bis zu drei Punkte, und zwar einen für jede Farbe.
Strahlenformung
Wie im vorausgehenden Abschnitt besprochen, lenken die zylindrischen Spiegel 54 und 56 der strahlenformenden Optik 52 die zusammengesetzten Strahlen 42, die alle drei Farben enthalten, auf die Polygonfacette 61 und bewirken, dass die zusammengesetzten Strahlen 42 in Zeilen- und Seitenrichtung konvergieren (wie in 10 und 11 gezeigt). Mit „strahlenformender Optik" ist eine Optik gemeint, die einen Lichtstrahl in Zeilen- und in Seitenrichtung unterschiedlich formt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Printers 10 konvergiert jeder zusammengesetzte Strahl 42 in X-Z- oder Seitenrichtung zu einem Punkt in Nähe der Polygonfacette 61 (siehe 10) und in Y-Z- oder Zeilenrichtung zu einem Punkt ca. einen Meter hinter dem vordersten Scheitelpunkt V₁ der f-θ Linse 70 (siehe 11). Die strahlenformende Optik 52 stellt somit die Punktgröße ein und konvergiert die zusammengesetzten Strahlen 42 um unterschiedliche Beträge in Seiten- und Zeilenrichtung. Die Strahlenkonvergenz ist in der Seitenrichtung wesentlich schneller (siehe 11) als in der Zeilenrichtung (siehe 12).
In einem Ausführungsbeispiel erzeugen die Fokussierlinse 50 und die strahlenformende Optik 52 zusammengesetzte Strahlen, die derart konvergieren, dass sie 1.) in Seitenrichtung grüne Einschnürungen W₁ auf einer Ebene erzeugen, die 22,904 mm vor dem ersten Scheitelpunkt V₁ der f-θ Linse 70 angeordnet ist (d.h. diese Strahleneinschnürungen sind zwischen der Polygonfacette 61 und der f-θ Linse angeordnet), und 2.) in Zeilenrichtung grüne Einschnürungen W₂ erzeugen, die 995,7 mm hinter dem ersten Scheitelpunkt V₁ der f-θ Linse 70 angeordnet sind (die Strahleneinschnürungen in Zeilenrichtung sind zwischen der f-θ Linse 70 und der Bildoberfläche 99 angeordnet). Die Größe der Einschnürungen lässt sich durch die strahlenformende Optik abstimmen, je nach der auf der Bildfläche gewünschten Punktgröße. Beispielsweise kann der Leistungsradius exp(-2) der grünen Einschnürungen in Zeilenrichtung 0,114 mm und der Leistungsradius exp(-2) der grünen Einschnürungen in Seitenrichtung 0,0396 mm betragen.
Auf ähnliche Weise erzeugen die Fokussierlinse 50 und die strahlenformende Optik 52 zusammengesetzte Strahlen 42, die derart konvergieren, dass sie 1.) in Seitenrichtung blaue Einschnürungen W₁ auf einer Ebene erzeugen, die 22,893 mm vor dem ersten Scheitelpunkt V i der f-θ Linse 70 angeordnet sind und 2.) in Zeilenrichtung blaue Einschnürungen W₂ auf einer Ebene erzeugen, die 995,8 mm hinter dem ersten Scheitelpunkt der f-θ Linse angeordnet sind. Beispielsweise kann der Leistungsradius exp(-2) der blauen Einschnürungen in Zeilenrichtung 0,104 mm und der Leistungsradius exp(-2) der blauen Einschnürungen in Seitenrichtung 0,036 mm betragen.
Auf ähnliche Weise erzeugen die Fokussierlinse 50 und die strahlenformende Optik 52 zusammengesetzte Strahlen, die derart konvergieren, dass sie 1.) in Seitenrichtung rote Einschnürungen W₁ auf einer Ebene erzeugen, die 22,790 mm vor dem ersten Scheitelpunkt V₁ der f-θ Linse 70 angeordnet ist und 2.) in Zeilenrichtung rote Einschnürungen W₂ auf einer Ebene erzeugen, die 995,9 mm hinter dem ersten Scheitelpunkt der f-θ Linse angeordnet ist. Beispielsweise kann der Leistungsradius exp(-2) der roten Einschnürungen in Zeilenrichtung 0,144 mm und der Leistungsradius exp(-2) der roten Einschnürungen in Seitenrichtung 0,0495 mm betragen.
Polygon
Die f-θ Linse 70 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist darauf ausgelegt, mit einer Vielzahl rotierender Polygone zusammenzuarbeiten. Sie ist insbesondere zur Verwendung mit Polygonen mit 10 Facetten geeignet, die einen Inkreisradius zwischen 32,85 mm und 40,709 mm aufweisen. Diese Polygone werden um +/– 13,5 Grad gedreht, um eine Abtastzeile von 30,5 cm Länge auf der Bildoberfläche 99 zu erzeugen.
Die f-θ Linse 70 arbeitet zudem mit Polygonen mit 24 Facetten und einem Inkreisradius zwischen 38,66 mm und 44 mm. Diese Polygone werden um +/–5,625 Grad gedreht, um eine Abtastzeile von 12,7 cm Länge auf der Bildoberfläche 99 zu erzeugen.
F-θ Linse
Die f-θ Linse 70 ist in der optischen Bahn des Printers 10 angeordnet, wie in 14a-14d gezeigt.
Wie in 12 gezeigt, erstreckt sich die optische Achse O. A. der f-θ Linse 70 in einer hier als Z-Richtung bezeichneten Richtung. Wenn sich das Polygon (zur Zeilenabtastung) dreht, wird jeder zusammengesetzte Strahl 42 in der Y-Richtung abgetastet (siehe 15a-15c). Die Querabtastung (auch als Seitenrichtung bezeichnet) erfolgt in X-Richtung. Die Leistung der f-θ Linse 70 wird in 16 dargestellt.
Die hier beschriebene f-θ Linse 70 ist insbesondere zur Verwendung in dem Laserprinter 10 geeignet. Aufgrund der lateralen Farbfehler in der f-θ Linse 70 erzeugt der Printer 10 gleichzeitig drei räumlich getrennte Abtastpunkte auf der Bildebene 99. Jeder dieser drei Punkte enthält Energie in einer der drei Laserwellenlängen. Diese Trennung wird in einer Weise kompensiert, wie im Abschnitt „Korrektur lateraler Farbfehler" besprochen. Die Punkte werden also auf einem lichtempfindlichen Medium übereinander einwandfrei angeordnet, wenn die Datenraten, bei denen die verschiedenen Farblaserstrahlen moduliert werden, linear zur Kompensation der lateralen Farbfehler der f-θ Linse 70 abgestimmt werden.
Idealerweise sollten die lateralen Farbfehler vollständig korrigiert werden, ohne dass Restfehler verbleiben, indem drei unterschiedliche Datenraten verwendet werden, um Daten zwischen dem Digitalbildspeicher und der Lasermodulator-Steuerschaltung zu verschieben. Die Punkte sollten idealerweise in einer geraden Linie mit gleichmäßigen Geschwindigkeiten wandern (während das Polygon mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit gedreht wird) und sollten ihre Größe und Form während der Bewegung nicht wesentlich ändern. Falls erforderlich, können Abweichungen in den Punktgeschwindigkeiten kompensiert werden, indem die Datenrate abgestimmt wird, während die Punkte über die Abtastlinie wandern. Die Punkte sollte ungefähr kreisförmig sein und eine ungefähr Gaußsche Energieverteilung aufweisen. Der Punktdurchmesser bei exp (-2) sollte 60-105 μm betragen (in grünem Licht), um eine ausreichende Auflösung auf dem lichtempfindlichen Medium zu erzielen, wobei die kleinere Größe notwendig ist, um ein Bild mit feinem Text überdrucken zu können. Der Punktdurchmesser beträgt vorzugsweise 64-88 μm.
Eine weitere Anforderung an eine f-θ Linse 70 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist, dass diese zu vertretbaren Kosten herstellbar ist. Dies erfordert, dass die Linse sphärische Oberflächen auf relativ kostengünstigem Glas aufweist.
Die f-θ Linse 70 erfüllt alle vorstehend genannten Anforderungen. 12 und 14a zeigen die erfindungsgemäß konstruierte f-θ Linse 70. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die f-θ Linse vier Linsenkomponenten, die auf einer optischen Achse angeordnet sind. Hierbei handelt es sich um eine erste Linsenkomponente 72 mit negativer optischer Leistung, um eine zweite Linsenkomponente 74 mit positiver optischer Leistung, um eine dritte Linsenkomponente 76 mit negativer optischer Leistung und um eine vierte Linsenkomponente 78 mit positiver optischer Leistung.
Die Linsenkomponenten erfüllen folgende Beziehungen: -1,6< f1/f<-0,9; 0,38< f2/f< 0,5; -0,65<f3/f< -0,50; 0,73<f-4/f<0,9,wobei f₁ die Brennweite der ersten Linsenkomponente, f₂ die Brennweite der zweiten Linsenkomponente, f₃ die Brennweite der dritten Linsenkomponente, f₄ die Brennweite der vierten Linsenkomponente und f die Brennweite der f-θ Linse 70 ist. Die Linsenkomponente 72 ist eine negative Meniskuslinse mit konkaver Krümmung zur Polygonseite. Die Linsenkomponente 74 ist eine positive Meniskuslinse mit konkaver Krümmung zur Polygonseite. Die Linsenkomponente 76 ist eine negative Meniskuslinse mit konkaver Krümmung zur Bildoberfläche 99. Die Linsenkomponente 78 ist eine positive Meniskuslinse mit konkaver Krümmung zur Bildoberfläche 99. In der exemplarischen f-θ Linse 70 sind die Linsenelemente aus Schott-Glas ausgebildet, wobei das Linsenelement 72 ein Element des Typs PK-51 A ist, das Linsenelement 74 ein Element des Typs LAK-21, das Linsenelement 76 ein Glas des Typs SFL-56 und das Linsenelement 78 ein Glas des Typs F-2.
Die f-θ Linse 70 ist apochromatisch, d.h. sie ist auf primäre und sekundäre axiale Farbfehler bei einer Wellenlänge von 458 nm, 532 nm und 685 nm korrigiert.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Linsenkomponente 72 ein einlinsiges Element, das folgende Gleichungen erfüllt: Vd1>65; und P g,F;1>0,53,wobei Vd₁ die V-Zahl des Materials der ersten Linsenkomponente ist und P_g,F;1 ist die relative partielle Dispersion.
Einzelheiten der Elemente in Linse 70 werden in Tabelle 1A gezeigt. In dieser Tabelle werden der Krummungsradien (r1-r8) und die Dicke der Linsenelemente in Millimeter angegeben.
Tabelle 1A
Die folgenden Tabellen 1B-1D zeigen die Übereinstimmung von f-θ Linse und die relative Punktgeschwindigkeit in grünem, rotem und blauem Licht für die f-θ Linse bei Verwendung mit einem Polygon mit 10 Facetten und einem Inkreisradius von 32,85 mm.
Tabelle 1B Übereinstimmung mit F-Theta und Angaben zur spontanen Punktgeschwindigkeit: λ = 532
Tabelle 1C λ = 457.9
Tabelle 1 D λ = 685
Falls erforderlich, lässt sich die Abweichung der Punktgeschwindigkeiten kompensieren, indem man die Rate abstimmt, mit der die Daten im Digitalbildspeicher (wie im Abschnitt „Korrektur lateraler Farbfehler" besprochen) zur Schaltung transportiert werden, die die Lasermodulatoren steuert. Das Maß der Abstimmung ist für jeden Modulator gleich.
Die folgende Tabelle 2 zeigt, wie die Punkte wachsen, wenn das Polygon gedreht wird und die Punkte sich über die Abtastzeile bewegen. Diese Daten gelten für ein Polygon mit 10 Facetten und einem Inkreisradius von 32,85 mm. Eine Polygondrehung um ±13,5 Grad entspricht einer Abtastposition von ca. ±15,24 cm auf der Bildebene 99.
Tabelle 2
unktgrößen (mm) auf Bildebene, berechnet aus astigmatischer Gaußscher Strahlennachführung mit folgenden
Einschnürungsradien auf Objektebene:
λ = 532, ω = 0,00189; λ = 457,9, ω = 0,00172; λ = 685, w = 0,00237.
Die Auswirkungen der Strahlenkürzung sind in dieser Berechnung nicht berücksichtigt.
wobei ωy = Zeilenrichtung
Punktradius und ω = Seitenrichtung
Punktradius
Pyramidenfehlerkorrektur
Printer, die rotierende Polygonablenker verwenden, unterliegen einem als Streifenbildung bezeichneten Bildfehler, der sich am deutlichsten in den Bereichen erkennen lässt, in denen das Bild keine Motivdetails aufweist, d.h. eine reine Wand oder ein wolkenloser Himmel. In diesen Bereichen erscheinen helle und dunkle Streifen, die nicht Teil des gewünschten Bildes sind. Diese Streifen werden durch wiederholte, ungleichmäßige Beabstandung der Abtastzeilen verursacht. Die Streifenbildung wird von einer oder mehreren Facetten des Polygons verursacht, die etwas zur Sollposition geneigt sind. Sobald die abweichende Facette zum Einsatz kommt, bewirkt diese eine geringfügige Bewegung des Laserstrahls aus der Laserstrahl-Nennebene, d.h. aus der Ebene, die von einem rotierenden Laserstrahl in Abwesenheit eines Pyramidenfehlers gebildet wird. Nach Durchtreten der f-θ Linse trifft der abweichende Laserstrahl an einer etwas anderen Bildposition auf der Bildoberfläche auf, wodurch er einen sogenannten „Querabtastfehler" erzeugt, da der Fehler senkrecht zur Abtastzeile liegt. Eine f-θ Linse muss mit den anderen optischen Elementen in dem Printer zusammenwirken, um bei Verwendung eines „guten" Polygons ein streifenfreies Bild zu erzeugen, also eines Polygons, in dem die Pyramidenwinkelfehler der Polygonfacetten den Wert von +/– 10 Bogensekunden nicht überschreiten, wie in Bezug zur Drehachse des Polygons gemessen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Pyramidenfehler korrigiert, indem die Polygonfacette 61 mit der Bildebene 99 in der Seitenmeridionalen (X-Z-Ebene) konjugiert bleibt. (Konjugierte Punkte sind hier als Punktpaare definiert, bei denen alle Strahlen von einem Punkt auf den anderen innerhalb der Gültigkeitsgrenzen der Gaußschen Optik abgebildet werden.) Diese Konjugation wird durch den konjugierenden zylindrischen Spiegel 80 erzielt, der mit der f-θ Linse 70 zusammenwirkt. Somit liegt ein Brennpunkt (Strahleneinschnürung) auf der Polygonfacette 61 und auf dem lichtempfindlichen Medium 100, und die Polygonfacette wird zu dem lichtempfindlichen Medium 100 konjugiert. Wenn die Polygonfacette 61 etwas in der X-Z-Ebene geneigt wird, also um den „Objektpunkt", weicht die Strahlenbahn durch den Printer 10 etwas von der in der Fig. gezeigten ab, aber die Strahlen wandern alle zum selben „Bildpunkt", und der Querabtastfehler ist daher null.
Die vorstehend beschriebene Konjugationsbedingung stellt bestimmte Anforderungen an die Strahlenformungsoptik. Die Konjugation der Polygonfacette 61 und der Bildoberfläche 99 in Seitenrichtung impliziert, dass in der Seitenrichtung eine Strahleneinschnürung (für jede Wellenlänge) an (oder benachbart zu) beiden Positionen angeordnet ist (d.h. an oder in Nähe der Polygonfacette 61 und an oder in Nähe der Bildoberfläche 99). Für jeden zusammengesetzten Strahl muss die strahlenformende Optik 52 eine Strahleneinschnürung W₁ in Seitenrichtung auf der Ebene 57 und an oder in Nähe der Polygonfacette 61 erzeugen. Dies wird in der erfindungsgemäßen Konstruktion erreicht, wie im Abschnitt „Strahlenformung" beschrieben und in 10 gezeigt. Vorzugsweise ist die Strahleneinschnürung in Seitenrichtung weniger als
zur Polygonfacette 61 beabstandet (wobei f die Brennlänge der f-θ Linse ist).
Das Maß der Konvergenz (der zusammengesetzten Strahlen 42) in Zeilenrichtung ist nicht gleichermaßen eingeschränkt. In diesem Ausführungsbeispiel konvergiert die strahlenformende Optik 52 die zusammengesetzten Strahlen 42 in der Zeilenrichtung, um eine Vielzahl von Strahleneinschnürungen hinter dem hinteren Brennpunkt der f-θ Linse 70 zu bilden.
Vorzugsweise liegen die Strahleneinschnürungen W₂ in Zeilenrichtung mindestens 1/3 f hinter dem ersten Scheitelpunkt V₁ der f-θ Linse 70 (siehe 11). In dem Printer 10 ist der Abstand zwischen dem hinteren Brennpunkt der f-θ Linse und der Lage der Einschnürung ungefähr gleich der Brennweite der f-θ Linse 70. Konkret hat die f-θ Linse 70 eine Brennweite von 426,4 mm und die von der strahlenformenden Optik 52 gebildeten Einschnürungen in Zeilenrichtung sind 488,9 mm hinter dem hinteren Brennpunkt angeordnet. Diese Anordnung hat sich zur Korrektur der f-θ Linse 70 und anderer dem Polygon nachgeordneter Optiken als überlegen erwiesen und stellt ein kompaktes System bereit.
Der konjugierende, zylindrische Spiegel 80 (siehe 14e) ist zwischen der f-θ Linse 70 und dem lichtempfindlichen Medium 100 angeordnet. Wie zuvor erwähnt, korrigiert er den Pyramidenfehler in den Polygonfacetten, indem er in X-Z-Ebene die Polygonfacette 61 mit der Bildoberfläche 99 konjugiert. Der zylindrische Spiegel 80 hat einen konkaven Radius (in Seitenrichtung) von 190,500 mm und ist 153,053 mm hinter dem letzten Scheitelpunkt der f-θ Linse angeordnet. Der zylindrische Spiegel 80 ist um 7 Grad geneigt und lenkt die zusammengesetzten Strahlen 42 um 14 Grad ab. Die Bildoberfläche 99 ist 162,96 mm hinter dem zylindrischen Spiegel 80 angeordnet, wobei der Abstand entlang des abgelenkten Strahls gemessen wird. Wie zuvor erwähnt, können die verschiedenen planen Klappspiegel 84 hinter dem Polygon und der f-θ Linse 70 angeordnet sein, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
15a, 15b, 15c zeigen die Lage der zusammengesetzten Strahlen 42 auf dem lichtempfindlichen Medium 100 (auf der Bildoberfläche 99) für Polygondrehungen von +13,5, 0 bzw. –13.5 Grad. Dies stellt Abtastwinkel von +27, 0 bzw. –27 Grad dar.
In Tabelle 3 sind die berechneten Verschiebungen in Querabtastrichtung für die mittleren Strahlen des Lichtstrahls (bei Wellenlängen von 532 nm, 457 nm und 685 nm) aufgeführt. Es ist zu erkennen, dass die Verschiebungen in Querabtastrichtung innerhalb akzeptabler Grenzen liegen.
Tabelle 3 zeigt die Verschiebung in Querabtastrichtung aufgrund eines Pyramidenfehlers von 10 Bogensekunden auf der Polygonfacette. Die Verschiebung ist in Mikrometern angegeben.
Tabelle 3 Verschiebung quer zur Abtastrichtung
Axiale Farbaberration
In einem Linsensystem treten zwei Arten von Farbaberrationen auf: die axialen und die lateralen Farbfehler. Axiale Farbfehler bewirken, dass Licht verschiedener Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen zur hinteren Fläche des Linsensystems fokussiert wird. Da axiale Farbfehler ein fokusbezogenes Phänomen sind, werden sie nicht nur durch Aberrationen in einem Linsensystem verursacht, sondern auch durch die Vergenz des eintretenden Lichtstrahls zum Linsensystem.
In dem Printer 10 lässt sich die Vergenz der grünen, blauen und roten Laserstrahlen in Zeilenrichtung nicht unabhängig einstellen, da die strahlenformende Optik 52 allen drei (verbundenen) Laserstrahlen gemeinsam ist. Dies erschwert die Korrektur der axialen Farbfehler. Für den Printer 10 muss der axiale Farbfehler korrigiert werden, wenn die drei Laserstrahlen im Wesentlichen die gleiche Vergenz aufweisen. Dies wurde in der f-θ Linse 70 durchgeführt, wie in den Kurven aus 16 gezeigt wird, die der Leistung der f-θ Linse im Mittelpunkt der Zeilenabtastung entsprechen. Eine detaillierte Beschreibung der Linse 70 findet sich im Abschnitt „F-θ Linse " der vorliegenden Anmeldung.
Der axiale Farbfehler in Seitenrichtung muss korrigiert werden, um eine Farbstreifenbildung aufgrund der Pyramidenfehler zu vermeiden. Andernfalls wird der Pyramidenfehler nur in einer einzelnen Farbe korrigiert. In dem Printer 10 ist die axiale Farbe in beiden Meridianen korrigiert, sämtliche Elemente sind sphärisch, ein aufwändig verklebter zylindrischer Zweilinser ist nicht notwendig, und der Pyramidenfehler wird mit dem konjugierenden zylindrischen Spiegel 80 korrigiert.
Korrektur lateraler Farbfehler
Wie zuvor erwähnt, ist der laterale Farbfehler der f-θ Linse 70 unkorrigiert. Unter dem lateralen Farbfehler ist die Abweichung in der Bildhöhe der fokussierten Punkte mit unterschiedlicher Wellenlänge oder Farbe zu verstehen, und zwar bezogen auf eine bestimmte Bildoberfläche (siehe 12b).
Beispielsweise wird in normalen fotografischen Objektiven zur Verwendung in der Farbfotografie der laterale Farbfehler üblicherweise durch Y'(bei λ₁=486,1 nm) – Y'(bei λ₂= 656,3 nm) gemessen; dies ist die Differenz in der Bildhöhe in der Gaußschen Brennebene für λ = 546,1 nm, zwischen dem Blaupunktbild und dem Rotpunktbild. Der laterale Farbfehler tritt im Unterschied zum axialen Farbfehler nur weg von der optischen Achse und im Feld der Linse auf. Je weiter entfernt er vom axialen Bildpunkt ist, umso größer ist der laterale Farbfehler. Der größte laterale Farbfehler tritt daher oft in Nähe des Randes des Sichtfeldes der Linse auf. In dem Printer 10 ist der laterale Farbfehler als Trennung roter, blauer und grüner Punkte entlang der Abtastzeile auf dem lichtempfindlichen Medium zu erkennen (12b).
Der laterale Farbfehler in dem Printer 10 wird durch Modulation der dreifarbigen Laserstrahlen bei drei verschiedenen Datenraten korrigiert. Um dies verstehen zu können, sei folgendes hypothetisches Beispiel angenommen. Angenommen, der laterale Farbfehler in einer f-θ Linse ist derart, dass für einen gegebenen Betrag der Polygondrehung der grüne Laserstrahl die Bildoberfläche an einer Stelle von 100 Pixel Höhe schneidet, während der rote Laserstrahl die Bildoberfläche an einer Stelle von 101 Pixel Höhe schneidet und der blaue Laserstrahl die Bildoberfläche an einer Stelle von 99 Pixel Höhe schneidet (siehe 17). Wenn der Printer mit 512 Punkten pro Zoll arbeitet, würden die blauen und grünen Punkte um eine Entfernung von d₁=1/512 Zoll und die roten und grünen Punkte um eine Entfernung von d₂=1/512 getrennt. Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Rate, mit der Daten von einem Digitalbildspeicher zu der die Lasermodulatoren steuernden Schaltung verschoben werden, durch drei Datentakte C₁-C₃ bestimmt, wie in 1b gezeigt. Ein Takt steuert die Datenrate für den grünen Kanal, ein zweiter Takt steuert die Datenrate für den blauen Kanal und ein dritter Takt steuert die Datenrate für den roten Kanal. Wenn diese drei Takte mit derselben Rate arbeiten, entsprechen die drei Laserstärken zu jedem Zeitpunkt den erforderlichen grünen, blauen und roten Stärkewerten für dasselbe Pixel. Aufgrund der Punkttrennung (d₁', d₂'), die auf der Bildoberfläche 99 durch den lateralen Farbfehler in der f-θ Linse erzeugt wird, weist das auf dem lichtempfindlichen Medium aufgezeichnete Bild einen Farbhof an der Bildstelle in 100 Pixeln Höhe auf. Konkret tritt ein Farbhof von zwei Pixeln zwischen rot und blau, von einem Pixel zwischen grün und rot und von einem Pixel zwischen grün und blau auf.
Es sei angenommen, dass der Takt für die Blaudaten mit einer Frequenz (d.h. Datenrate) f_B von 99% der Taktfrequenz f_G für grün arbeitet, und dass der Takt für die Rotdaten bei einer Frequenz f_R von 101 % der Taktfrequenz für grün arbeitet. Bei der gegebenen Polygondrehung schneidet der grüne Laserstrahl die Bildoberfläche an einer Stelle von 100 Pixeln Höhe, und die Modulation des Laserstrahls ist geeignet, um die Belichtung des 100. Pixels zu erzeugen. Bei dieser Polygondrehung schneidet der rote Laserstrahl weiterhin die Bildoberfläche bei einer Stelle von 101 Pixeln Höhe. Da der Rottakt bei 101 % der Frequenz des Grüntakts arbeitet, ist der Rotlaserstrahl jetzt einwandfrei datenmoduliert, um die richtige Belichtung für das 101. Pixel zu erzeugen. Der Blaulaserstrahl verbleibt in 99 Pixel Höhe, aber der Blaulaserstrahl ist derart datenmoduliert, dass er die richtige Belichtung für das 99. Pixel erzeugt. Zu einer gegebenen Zeit (oder bei einer gegebenen Position der Polygondrehung) kann der Laserprinter 5 drei Farbpunkte auf jeder Abtastzeile erzeugen, aber die in jedem der drei Farbstrahlen enthaltene Bildinformation ist unterschiedlich, d.h. sie entspricht unterschiedlichen Pixeln auf der Abtastzeile. Zur Zeit T₁ empfängt Pixel 98 den Rotlaserstrahl R, zur Zeit T₁ + Δ empfängt Pixel 98 den Grünlaserstrahl G und zur Zeit T₁ + 2Δ empfängt Pixel 98 den Blaulaserstrahl B (18). Auf diese Weise und wenn der Printer in anderen Stellen als im Mittelpunkt der Zeilenabtastung arbeitet, kann jedes Pixel rot-, grün- und blaumoduliertes Licht empfangen, allerdings zu unterschiedlichen Zeiten. Daher tritt am 100. Pixel kein Farbhof auf. In dem Printer 10 sind daher die Datenraten f_B, f_G und f_R nicht gleich. Die Datenraten sind f_B=k₁ × f_G, f_R=k₂ × f_G, wobei k₁ und k₂ Konstanten sind, die so gewählt sind, dass sie die Punkttrennung während der Zeilenabtastung kompensieren.
In jedem Laserprinter gibt es ein Erkennungsverfahren, um eine bestimmte Startposition für jede Zeile auf dem lichtempfindlichen Medium zu ermitteln. In einem Printer 10 erfolgt dies durch Verwendung eines (dualen) Teilungsdetektors und des (unmodulierten) Rotlichtstrahls, um den Ausgangsimpuls zu erzeugen. Der Teilungsdetektor misst das Vorhandensein des Laserstrahls und ermittelt von dessen Position (in Bezug zum Zeilenanfang) die notwendige Zeitverzögerung, um die Modulation jedes der drei Farblaserstrahlen beginnen zu können, so dass das entsprechende Pixel am Beginn der Zeilenabtastung mit dem Laserstrahl belichtet wird, der die richtigen Dateninformationen trägt.
Ein potenzielles Problem besteht weiterhin darin, dass die gleichen Taktraten, die gute Ergebnisse für eine Bildhöhe von 100 Pixeln erzeugen, in anderen Bildhöhen weiterhin Farbhöfe erzeugen könnten. In dem Printer 10 wurden diese restlichen lateralen Farbfehler jedoch in der f-θ Linse 70 korrigiert, so dass der größte Restfehler (aufgrund lateraler Farbfehler) über die gesamte Abtastzeile kleiner als 20% der Größe eines grünen Pixels ist. Dies ist in Tabelle 2 und 4 dargestellt. Tabelle 2 zeigt die Punktgrößen über der Abtastzeile. Tabelle 4 zeigt den restlichen lateralen Farbfehler, wenn die Laserstrahlen bei den am Ende der Tabelle genannten Raten moduliert werden. Beide Tabellen gelten für ein Polygon mit 10 Facetten und einem Inkreisradius von 32,85 mm. Ähnliche Ergebnisse gelten für andere Polygongrößen mit 10 Facetten. Die Ergebnisse für Polygone mit 24 Facetten sind wesentlich besser.
Tabelle 4
Die Differenz in der Bildposition in Zeilenrichtung (in mm) für rote, grüne und blaue Farben mit roten, grünen und blauen Pixeltakten in der Treiberelektronik sind im Verhältnis von 1,0011: 1,0000: 0,99946 abgestimmt.

Grün λ= 532 nm; blau λ= 457,9 nm; rot λ= 685 nm
In einem Laserprinter eines Typs, der die erfindungsgemäße f-θ Linse aufnehmen kann, können folgende Systemparameter gelten:
Wellenlängen: 532, 457,9 und 685 nm
Abtastlänge: 12 Zoll
Polygonarbeitszyklus: 0,75
Polygon-Inkreisradius: 32,85 bis 40,709
Anzahl der Polygonfacetten: 10
Gesamter Abtastwinkel: 54 Grad (+/– 27 Grad in Bezug zur optischen Achse; +/– 13,5 Grad der Polygondrehung)
Lichtstrahl-Einfallswinkel auf Polygonfacette: 60 Grad von der optischen Achse der f-θ Linse (30 Grad Einfallswinkel auf Polygonfacette)
Gewünschter Gaußscher Strahlenradius bei exp(-2) Leistungspunkt: 0,035 mm bei λ= 532 nm.
In einem Laserprinter eines Typs, der die erfindungsgemäße f-θ Linse 70 aufnimmt, können folgende Systemparameter gelten:
Wellenlängen: 532, 457,9 und 685 nm
Abtastlänge: 5 Zoll
Polygonarbeitszyklus: 0.75
Polygon-Inkreisradius: 38,66 bis 44,00
Anzahl der Polygonfacetten: 24
Gesamter Abtastwinkel: 22,5 Grad (+/–11,25 Grad in Bezug zur optischen Achse; +/–5,625 Grad der Polygondrehung)
Lichtstrahl-Einfallswinkel auf Polygonfacette: 60 Grad von der optischen Achse der f-θ Linse (30 Grad Einfallswinkel auf Polygonfacette) Gewünschter Gaußscher Strahlenradius bei exp(-2) Leistungspunkt: 0,051 mm bei 532 nm.
Wie zuvor erwähnt, ist die f-θ Linse 70 selbst nicht auf laterale Farbfehler korrigiert. Die Korrektur des lateralen Farbfehlers in dem Scanner setzt voraus, dass die Takte für grün, blau und rot zur Modulation der Laser im Verhältnis 1:000: 0,99946: 1,0011 arbeiten.
Wie im Abschnitt „Korrektur axialer Farbfehler" der vorliegenden Anmeldung beschrieben, ist die f-θ Linse 70 auf primäre und sekundäre axiale Farbfehler korrigiert. Dies ist eine Voraussetzung für diese Art von Scanner, da die strahlenformende Optik 52 allen zusammengesetzten Strahlen gemeinsam ist. In der X-Z-Richtung konjugiert die f-θ Linse die Polygonfacette zur Bildoberfläche (in allen drei Wellenlängen), was die Verwendung eines zylindrischen Hilfsspiegels mit Leistung nur in X-Z-Richtung erforderlich macht. Vorausgesetzt, das „Objekt" ist auf der Polygonfacette, beträgt der axiale Farbfehler in X-Z-Richtung für die f-θ Linse 70 null; er ist ebenfalls für den zylindrischen Spiegel null, so dass die Konjugation für alle drei Wellenlängen gilt.
Der erfindungsgemäße Printer hat den Vorteil, dass er ein wesentlich schnelleres Farbdrucken als Farbprinter nach dem Stand der Technik ermöglicht.
Obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Geltungsbereichs Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden. Beispielsweise sind andere Laserquellen zur Erzeugung von Lichtstrahlen in anderen Wellenlängen als 458 nm, 532 nm oder 685 nm verwendbar, solange das lichtempfindliche Medium gegenüber diesen Wellenlängen empfindlich ist. Die vorliegende Erfindung ist daher in einem Printer verwendbar, der auf fotografisches Papier oder auf ein „falsch sensibilisiertes Papier" druckt. Printer, die ein derartiges „falsch sensibilisiertes Papier" verwenden, sind in der Technik bekannt. Die Änderung der Wellenlängen ändert das Verhältnis zwischen den entsprechenden Datenraten.
Der Begriff Printer bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auf jede bilderzeugende Vorrichtung. Eine derartige Vorrichtung kann ein Drucker, ein Kopierer oder beispielsweise eine Faxmaschine sein.

Claims

Farbprinter zur Bilderzeugung auf einer Bildebene, wobei der Farbprinter in folgender Reihenfolge umfasst: (a) eine Vielzahl von Lichtquellen, von denen jede einen räumlich kohärenten, zusammengesetzten Lichtstrahl mit einer Vielzahl spektraler Komponenten aufweist; (b) eine einzelne strahlenformende Optik, welche die zusammengesetzten Strahlen bearbeitet und optische Elemente aufweist, die die zusammengesetzten Strahlen um einen geringen Betrag in einer Abtastrichtung und in einer quer dazu verlaufenden Richtung formen, derart, dass sie für jeden der zusammengesetzten Strahlen (i) eine erste Strahleneinschnürung in der quer verlaufenden Abtastrichtung des zusammengesetzten Strahls und (ii) eine zweite Strahleneinschnürung in der Abtastrichtung des zusammengesetzten Strahls bilden, wobei die erste und die zweite Strahleneinschnürung voneinander beabstandet sind; (c) eine Umlenkeinrichtung zum Bewegen der Vielzahl zusammengesetzter Strahlen über die Bildebene, wobei sich die Umlenkeinrichtung näher an der ersten Strahleneinschnürung befindet als an der zweiten; und d) eine Abtastoptik, die zwischen der Umlenkeinrichtung und der Bildebene angeordnet ist und (i) die Umlenkeinrichtung zu einem lichtempfindlichen Medium hin in der quer verlaufenden Abtastrichtung eines jeden zusammengesetzten Strahls für jede der spektralen Komponenten geometrisch beugt und (ii) die erste und zweite Einschnürung wieder auf der Bildebene abbildet.
Farbprinter nach Anspruch 1, worin es sich bei der Bildebene um ein lichtempfindliches Medium handelt.
Farbprinter nach Anspruch 2, mit einer Vielzahl von Modulatoren, die einzeln die Intensität einer jeden spektralen Komponente eines jeden zusammengesetzten Strahls modulieren.
Farbprinter nach Anspruch 2, worin die Modulatoren akustisch-optische Modulatoren sind.
Farbprinter nach Anspruch 2, mit einer Vielzahl von Lasern, die rote, grüne und blaue Farblaserstrahlen erzeugen; mit einer Vielzahl von Faseroptik-Multiplexern, die jeweils mindestens eine strahlenverbindende Faser aufweisen und rote, grüne und blaue Farblaserstrahlen zu zusammengesetzten Strahlen verbinden, wodurch die zusammengesetzten Strahlen aus den strahlenverbindenden Fasern austreten; und mit einem Wellenleiter mit einer Vielzahl von Eingangskanälen, die ein Eingangsende des Wellenleiters bilden, und mit einer Vielzahl von Ausgangskanälen, die ein Ausgangsende des Wellenleiters bilden, wobei die Eingangskanäle mit den Ausgangskanälen mittels einer Vielzahl von Kanälen verbunden sind, die durch einen ersten Satz von Entfernungen am Eingangsende und durch einen zweiten Satz von Entfernungen am Ausgangsende voneinander getrennt sind, so dass die Entfernungen am Eingangsende größer sind als die Entfernungen am Ausgangsende, wobei jede der strahlenverbindenden Fasern mit einem entsprechenden Kanal am Eingangsende verbunden ist, so dass die zusammengesetzten Strahlen sich durch die Kanäle zum Ausgangsende hin verbreiten und sich einander annähern, während sie sich verbreiten.
Farbprinter nach Anspruch 5, worin die Kanäle des Wellenleiters angepasst sind, um die strahlenverbindenden Fasern mit ihrem vollständigen Fasermantel aufzunehmen.
Farbprinter nach Anspruch 5, worin jeder Wellenleiterkanal und jede strahlenverbindende Faser der Multiplexer gekennzeichnet ist durch einen Grundmodus und worin der Grundmodus eines jeden Wellenlängenkanals dem Grundmodus einer betreffenden strahlenverbindenden Faser entspricht.
Farbprinter nach Anspruch 5, worin der Abstand zwischen den Wellenlängenkanälen sich verringert, während sich die Strahlen entlang ihrer Länge ausbreiten, was dazu führt, dass die Kanäle so eng wie möglich zueinander stehen, ohne dass zwischen den Strahlen benachbarter Kanäle ein Übersprechen entsteht.
Farbprinter nach Anspruch 5, worin die Umlenkeinrichtung ein drehbares Polygon mit einer Vielzahl von Umlenkfacetten ist, und die jeweilige Umlenkfacette auf dem lichtempfindlichen Medium in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung abgebildet ist, um (i) einen Pyramidenfehler des Polygons und (ii) die Abtastlinienbiegung der außerhalb der Achse liegenden Strahlen zu korrigieren.
Farbprinter nach Anspruch 5, worin der Wellenleiter am Ausgangskanalende eine geneigte Fläche aufweist, die in einer Seitenabtastrichtung derart geneigt ist, dass die belichteten Abtastzeilen sich bei den 50% Intensitätspegeln in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung überlappen.
Farbprinter nach Anspruch 5, worin die Umlenkeinrichtung ein sich drehendes Polygon ist und die Abtastoptik eine lineare Abtasthöhe versus Polygonrotationswinkel erzeugt, wobei sich die Veränderungsrate von Abtasthöhe versus Rotationswinkel für jede spektrale Komponente unterscheidet; und jedes Pixel von einer entsprechenden spektralen Komponente des zusammengesetzten Strahls belichtet wird, wobei die spektrale Komponente von einer Datenrate moduliert wird, die sich von den Datenraten anderer spektraler Komponenten unterscheidet.
Farbprinter nach Anspruch 5, mit einem vorbestimmten Abstand in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung, worin die zusammengesetzten Strahlen in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung durch ein Vielfaches des Zwei- bis Vierfachen des erwünschten Querabtastabstands getrennt sind und worin eine dazwischen liegende Abtastzeile durch ein versetztes Drucken bei späteren Abtastungen belichtet wird.
Farblaserprinter nach Anspruch 5, mit einem vorbestimmten Abstand in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung, worin die zusammengesetzten Strahlen durch einen beliebigen Faktor des quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtungsabstands getrennt werden, wobei der Wellenleiter derart geneigt ist, dass der Querabtastabstand der zusammengesetzten Strahlen eingestellt wird auf ein ganzzahliges Vielfaches des Querabtastabstands durch Neigen des Wellenleiters und dass alle dazwischen liegenden Abtastzeilen durch versetztes Drucken bei späteren Abtastungen belichtet werden.
Farblaserprinter nach Anspruch 5, mit: einer Vielzahl von Lasern, die rote, grüne und blaue Farblaserstrahlen erzeugen; einer Vielzahl von Faseroptik-Multiplexern, die jeweils mindestens eine strahlenverbindende Faser aufweisen und rote, grüne und blaue Farblaserstrahlen zu zusammengesetzten Strahlen verbinden, wodurch die zusammengesetzten Strahlen aus den strahlenverbindenden Fasern austreten; wobei jede strahlenverbindende Faser des Multiplexers ihren Fasermantel derart reduziert hat, dass er konisch zuläuft bis hin zu einem Durchmesser, der nicht größer ist als das Vierfache des Faserkerndurchmessers, wobei die strahlenverbindenden Fasern in einem V-förmigen Block in einer festen Beziehung zueinander gehalten sind; und mit einer Abtastoptik, die zwischen der Umlenkeinrichtung und dem lichtempfindlichen Medium angeordnet ist, wobei die Abtastlinse eine Struktur aufweist, um (i) eine Umlenkfläche der Umlenkeinrichtung auf dem lichtempfindlichen Material in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung derart abzubilden, dass ein Pyramidenfehler sowie die Abtastlinienbiegung der außerhalb der Achse liegenden Strahlen korrigiert werden, und um (ii) eine Vielzahl von Einschnürungen einer jeden Wellenlänge sowohl in der Abtastrichtung wie auch in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung ganz in der Nähe des lichtempfindlichen Mediums auszubilden.
Farblaserprinter nach Anspruch 14, worin der V-förmige Block geneigt ist, um belichtete Abtastzeilen mit einer ausreichenden Überlappung in der Querabtastrichtung auf dem lichtempfindlichen Medium bereitzustellen.
Farblaserprinter nach Anspruch 14, worin die Umlenkeinrichtung ein sich drehendes Polygon ist und die Abtastoptik eine lineare Abtasthöhe versus Polygonrotationswinkel erzeugt, wobei sich die Veränderungsrate von Abtasthöhe versus Rotationswinkel für jede spektrale Komponente unterscheidet; und jedes Pixel von einer entsprechenden spektralen Komponente des zusammengesetzten Strahls belichtet wird, wobei die spektrale Komponente von einer Datenrate moduliert wird, die sich von den Datenraten anderer spektraler Komponenten unterscheidet.
Farblaserprinter nach Anspruch 14, mit einem vorbestimmten Abstand in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung, und worin die zusammengesetzten Strahlen in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung durch ein Vielfaches des Zwei- bis Vierfachen des Querabtastabstands getrennt sind und worin dazwischen liegende Abtastzeilen bei späteren Abtastungen belichtet werden.
Farbprinter nach Anspruch 14, mit einem vorbestimmten Abstand in der quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtung, worin die zusammengesetzten Strahlen durch einen beliebigen Faktor des quer zur Abtastrichtung verlaufenden Richtungsabstands getrennt werden, wobei der Querabtastabstand der zusammengesetzten Strahlen eingestellt wird auf ein ganzzahliges Vielfaches des Querabtastabstands durch Neigen des Wellenleiters, und dass alle dazwischen liegenden Abtastzeilen durch versetztes Drucken bei späteren Abtastungen belichtet werden.