DE69928147T2

DE69928147T2 - Farbbilderzeugungsgerät

Info

Publication number: DE69928147T2
Application number: DE69928147T
Authority: DE
Inventors: Manabu Ohta-ku Kato
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2019-02-05
Also published as: US6038053A; EP0935153A2; EP0935153B1; EP0935153A3; DE69928147D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Farbbilderzeugungsgerät und insbesondere ein Gerät, welches Farbbildinformation durch optisches Abtasten der Oberflächen mehrerer Farbträger mit einer Mehrzahl entsprechender Lichtstrahlen erzeugt, die von mehreren optischen Abtasteinrichtungen ausgegeben werden, geeignet für eine Vorrichtung wie beispielsweise einen Laserdrucker, einen digitalen Farbkopierer oder dergleichen, der mit einem elektrophotographischen Farbbildverfahren arbeitet.
Einschlägiger Stand der Technik
In einer herkömmlichen optischen Abtasteinrichtung, die in einem Laserdrucker (LBP; laser beam printer), einem digitalen Kopiergerät oder dergleichen eingesetzt wird, wird ein optisch entsprechend einem Bildsignal modulierter und von einer Lichtquelleneinrichtung ausgegebener Lichtstrahl periodisch von einem Lichtdeflektor wie beispielsweise einem polygonalen Drehspiegel abgelenkt und fokussiert, um auf der Oberfläche eines photoempfindlichen Aufzeichnungsmediums (einer photoempfindlichen Trommel) über ein eine fθ-Charakteristik aufweisendes optisches Abtastelement (Abbildungselement) einen Strahlfleck zu erzeugen. Dieser Strahlfleck wird dann abtastend über die Oberfläche geführt, um ein Bild aufzuzeichnen.
1 ist eine schematische Schnittansicht, die den Hauptteil einer herkömmlichen optischen Abtasteinrichtung dieser Art veranschaulicht.
Gemäß 1 wird ein von einer Lichtquelleneinrichtung 91 emittierter, divergenter Lichtstrahl von einer Kollimatorlinse 92 in einen nahezu kollimierten Lichtstrahl umgewandelt, und der Lichtstrahl (die Lichtmenge) wird von einer Blende 93 beschränkt. Der Lichtstrahl tritt anschließend in eine Zylinderlinse (zylindrische Linse) 94 mit einer vorbestimmten Brechkraft in ausschließlich der Nebenabtastrichtung ein. Von dem nahezu kollimierten Lichtstrahl, der in die Zylinderlinse 94 eintritt, treten Lichtkomponenten im Hauptabtastquerschnitt direkt als nahezu kollimierter Lichtstrahl aus. Andererseits werden im Nebenabtastquerschnitt Komponenten fokussiert, um ein nahezu lineares Bild auf einer Ablenkfläche (Reflexionsfläche) 95a eines Lichtdeflektors 95 zu bilden, der durch einen polygonalen Drehspiegel gebildet wird. Man beachte, daß der Hauptabtastquerschnitt einen Lichtstrahlquerschnitt bedeutet, der vorübergehend von einem Lichtstrahl erzeugt wird, welcher von der Ablenkoberfläche des Lichtdeflektors abgelenkt und reflektiert wird. Andererseits bedeutet der Nebenabtastquerschnitt einen Querschnitt, welcher die optische Achse einer fθ-Linse beinhaltet und rechtwinklig zur Hauptabtastrichtung verläuft.
Der von der Ablenkfläche 95a des Lichtdeflektors 95 abgelenkte und reflektierte Lichtstrahl wird über ein optisches Abtastelement (eine fθ-Linse) 96 mit fθ-Charakteristik auf eine photoempfindliche Trommeloberfläche 98 geleitet, die eine abzutastende Fläche darstellt. Durch Drehen des Lichtdeflektors 95 in Pfeilrichtung A tastet der Lichtstrahl die photoempfindliche Trommeloberfläche 98 in Pfeilrichtung B ab. Auf diese Weise wird ein Bild auf der ein Aufzeichnungsmedium bildenden photoempfindlichen Trommeloberfläche 98 aufgezeichnet.
2 ist eine schematische Ansicht eines Hauptteils eines Farbbilderzeugungsgeräts, welches Bildinformation in Einheiten von Farben auf unterschiedlichen photoempfindlichen Trommeloberflächen durch gleichzeitiges Verwenden mehrerer optischer Abtasteinrichtungen gemäß obiger Beschreibung aufzeichnet, um dadurch ein Farbbild zu erzeugen.
Bezugnehmend auf 2, enthält das Farbbilderzeugungsgerät optische Abtasteinrichtungen 101, 102, 103 und 104, photoempfindliche Trommeln 111, 112, 113 und 114, die als Bildträger fungieren, Entwickler 121, 122, 123 und 124 und ein Transportband 131. In dem in 2 gezeigten Farbbilderzeugungsgerät sind die vier optischen Abtasteinrichtungen (101, 102, 103, 104) an einander benachbarten Stellen angeordnet, die den Farben C (Cyan), M (Magenta), Y (Gelb) und B (Schwarz) entsprechen, um parallel Bildsignale auf den Oberflächen der photoempfindlichen Trommel 111, 112, 113 bzw. 114 aufzuzeichnen und dadurch mit hoher Geschwindigkeit ein Farbbild zu drucken.
In einem derartigen Farbbilderzeugungsgerät ist es, da ein Bild durch Überlagern mehrerer Abtastzeilen erzeugt wird, besonders wichtig, Abtastzeilenfehler (im folgenden auch als "Ausrichtungsfehler" bezeichnet) unter den jeweiligen Farben zu minimieren. Zu diesem Zweck muß die optische Abtasteinrichtung folgende Bedingungen erfüllen:
– die optische Weglänge des optischen Systems muß verkürzt werden, um Abtastzeilenfehler aufgrund anfänglicher Abweichungen (Fertigungsfehler, Abweichungen bei der Montage und dergleichen) sowie Umwelteinflüsse (Temperaturerhöhung und dergleichen) zu minimieren; und
– der Einfallwinkel auf der abzutastenden Fläche in der Hauptabtastebene muß verkleinert werden, um Fehler bei der Vergrößerung in Hauptabtastrichtung zu minimieren, die zurückzuführen sind auf Befestigungsfehler bei der photoempfindlichen Trommel (oder einer diese enthaltenden Patrone) und eine dezentrierte Drehung der Trommel selbst.
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 7-128603 zeigt ein Beispiel, bei dem ein optisches Abtastsystem für eine optische Abtasteinrichtung in einem Farbbilderzeugungsgerät durch eine Glaslinse und einen Glaszylinder-Spiegel gebildet wird. Gemäß dieser Druckschrift wird zwar der Einfallwinkel des Lichtstrahls auf der abzutastenden Fläche klein, da die optische Weglänge des optischen Systems eine beträchtliche Größe von etwa 400 mm hat, allerdings wird die Vorrichtung leicht beeinflußt durch die oben angesprochenen Schwankungen, und das gesamte Gerät wird sperrig.
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 8-76011 zeigt ein Beispiel, bei dem ein optisches Abtastsystem für eine optische Abtastvorrichtung aufgebaut ist mit einer einzigen torischen Linse. In dieser Druckschrift ist zwar die optische Weglänge der Optik kurz, allerdings ist der Einfallwinkel des Laserstrahls auf der abzutastenden Fläche groß und beträgt etwa θ_i = 30°, weiterhin wird die Vorrichtung leicht beeinflußt durch die dezentrierte Drehung der photoempfindlichen Trommel.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Farbbilderzeugungsvorrichtung mit mehreren optischen Abtasteinrichtungen anzugeben, welches Ausrichtungsfehler aufgrund unterschiedlicher Schwankungen (Anfangs-Abweichungen des Hauptkörpers des Farbbilderzeugungsgeräts und Umgebungsschwankungen) minimieren und eine Farb-Fehlausrichtung mit Hilfe einer einfachen Ausgestaltung verringern kann.
Erreicht wird dieses Ziel durch das Farbbilderzeugungsgerät gemäß Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf Weiterentwicklungen.
Das Farbbilderzeugungsgerät kann eine Mehrzahl von optischen Abtasteinrichtungen aufweisen, die jeweils enthalten: eine Lichtquelleneinrichtung, ein Ablenkelement zum Ablenken eines von der Lichtquelleneinrichtung emittierten Lichtstrahls, und eine optische Einrichtung zum Leiten des von der Lichtquelleneinrichtung emittierten Lichtstrahls auf die abzutastende Fläche, welche mehrere von den einzelnen optischen Abtasteinrichtungen ausgegebene Lichtstrahlen auf eine Mehrzahl entsprechender Bildträger-Oberflächen zu lenken, und durch Abtasten der mehreren Bildträger-Oberflächen mit den mehreren Lichtstrahlen ein Farbbild zu erzeugen, wobei jede der mehreren optischen Abtasteinrichtungen derart eingerichtet ist, daß der Abstand von der Drehachse des Ablenkelements in dieser optischen Abtasteinrichtung zu dem entsprechenden Bildträger kleiner ist als die Länge eines effektiven Abtastbereichs auf diesem Bildträger, und ein Einfallwinkel θ_i eines Lichtstrahls, der auf den Bildträger in der Hauptabtastebene auftrifft, gleich oder kleiner ist als 27° im gesamten Abtastbereich.
Das Farbbilderzeugungsgerät kann aufweisen: eine Lichtquelleneinrichtung, die einen Halbleiterlaser enthält, wobei die optische Einrichtung ein erstes optisches Element zum Umwandeln des von der Lichtquelleneinrichtung emittierten Lichtstrahls in einen im wesentlichen kollimierten Lichtstrahl enthält, ferner ein zweites optisches Element zum Fokussieren des umgewandelten, im wesentlichen kollimierten Lichtstrahls zur Erzeugung eines linearen Bilds, welches sich in Hauptabtastrichtung der Ablenkfläche des Ablenkelements in Längsrichtung erstreckt, und ein drittes optisches Element zum Fokussieren des von dem Ablenkelement abgelenkten Lichtstrahls, um auf der Bildträger-Oberfläche einen Strahlfleck zu erzeugen, wobei das dritte optische Element ein viertes optisches Element beinhaltet mit mindestens einem optischen brechenden Element, sowie ein fünftes optisches Element, welches mindestens ein optisches Beugungselement enthält.
In einer weiteren Ausführungsform des Farbbilderzeugungsgeräts besitzt das vierte optische Element eine torische Kunststofflinse,
das vierte optische Element besitzt eine torische Kunststofflinse, und das fünfte optische Element besitzt ein optisches Verbundelement in Form einer Kombination aus einer Zylinderlinse und einem optischen beugenden Element,
das vierte optische Element besitzt eine torische Kunststofflinse und ein erstes optisches beugendes Element, und das fünfte optische Element besitzt ein optisches Verbundelement als Kombination aus einer Zylinderlinse und einem zweiten optischen beugenden Element,
das fünfte optische Element wird gebildet aus Kunststoff, oder ein maximaler Austrittswinkel θ_p des von dem Ablenkelement abgelenkten Lichtstrahls in bezug auf die optische Achse des dritten optischen Elements fällt in einen Bereich von 40° bis 60°.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt die optische Einrichtung ein optisches Element mit brechenden und beugenden Abschnitten, und eine Änderung der Aberration in Hauptabtastrichtung auf der Bildträgerfläche aufgrund der Umgebungsschwankungen der optischen Abtasteinrichtung wird korrigiert durch Änderungen der Brechkraft bzw. Beugungskraft der brechenden und beugenden Abschnitte des optischen Elements.
Insbesondere die Änderung der Aberration in Hauptabtastrichtung kann eine Änderung der Vergrößerung sein, die Änderung der Aberration in Hauptabtastrichtung kann eine Änderung der Brennweite oder dergleichen sein.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt die optische Einrichtung ein optisches Element mit brechenden und beugenden Abschnitten, und Änderungen der Aberration in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung auf der Bildträgerfläche aufgrund der Umgebungsschwankungen der optischen Abtasteinrichtung werden korrigiert durch Änderung der Eigenschaften der brechenden und beugenden Abschnitte des optischen Elements.
Speziell die Änderung der Aberration in Hauptabtastrichtung kann eine Änderung der Vergrößerung oder eine Änderung der Brennweite sein, und die Änderung der Aberration in Nebenabtastrichtung kann eine Brennweitenänderung sein.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt der brechende Abschnitt des optischen Elements eine torische Kunststofflinse mit unterschiedlichen Brechkräften in Haupt- und Nebenabtastrichtung, und der beugende Abschnitt des optischen Elements besitzt ein optisches Beugungselement mit unterschiedlicher Beugungskraft in Haupt- und Nebenabtastrichtung, wobei der brechende Abschnitt des optischen Elements eine torische Kunststofflinse mit unterschiedlichen Brechkräften in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung aufweist, ferner eine Zylinderlinse mit einer Brechkraft in Hauptabtastrichtung, wobei der beugende Abschnitt des optischen Elements ein optisches Beugungselement mit unterschiedlichen Eigenschaften in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung aufweist, und die Zylinderlinse und das optische Beugungselement zur Bildung eines optischen Verbundelements zusammengesetzt sind, oder der brechende Abschnitt des optischen Elements besitzt eine torische Kunststofflinse mit unterschiedlichen Brechkräften in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung, und eine Zylinderlinse mit einer Brechkraft in Hauptabtastrichtung, wobei der beugende Abschnitt des optischen Elements ein erstes optisches Beugungselement mit einer Beugungskraft in Hauptabtastrichtung aufweist, ferner ein optisches Beugungselement mit unterschiedlichen Beugungskräften in Hauptabtastrichtung bzw. Nebenabtastrichtung, und das erste optische Beugungselement in der Nähe der torischen Linse angeordnet ist, wobei die Zylinderlinse und das zweite optische Beugungselement zur Bildung eines optischen Verbundelements kombiniert sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht eines Hauptteils einer herkömmlichen optischen Abtasteinrichtung in Hauptabtastrichtung;
2 ist eine schematische Ansicht, die den Hauptteil eines herkömmlichen Farbbilderzeugungsgeräts veranschaulicht;
3 ist eine schematische Ansicht, die den Hauptteil eines Farbbilderzeugungsgeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
4 ist eine schematische Ansicht, die den Hauptteil einer optischen Abtasteinrichtung nach 3 und einen dazugehörigen Bildträger zeigt;
5 ist eine Schnittansicht, die den Hauptteil eines in 4 gezeigten optischen Systems in Hauptabtastrichtung veranschaulicht;
6 ist eine graphische Darstellung, die die achsparallelen Aberrationen der optischen Abtasteinrichtung der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung veranschaulicht;
7 ist eine Schnittansicht, die den Hauptteil eines optischen Systems einer optischen Abtasteinrichtung darstellt, die ein Farbbilderzeugungsgerät gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in Hauptabtastrichtung bildet;
8 ist eine graphische Darstellung, die achsparallele Aberrationen der optischen Abtasteinrichtung der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
9 ist eine Schnittansicht, die den Hauptteil eines optischen Systems einer optischen Abtasteinrichtung zeigt, die Bestandteil des Farbbilderzeugungsgeräts gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, dargestellt in Hauptabtastrichtung;
10 ist eine graphische Darstellung, die achsparallele Aberrationen der optischen Abtasteinrichtung in der dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
11 ist eine anschauliche Darstellung eines optischen Beugungselements gemäß der Erfindung;
12 ist eine anschauliche Darstellung, welche die Wellenlängenabhängigkeit eines optischen Beugungselements in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
13 ist eine anschauliche Darstellung eines optischen Beugungselements in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
14 ist eine anschauliche Darstellung, welche die Wellenlängenabhängigkeit eines optischen Beugungselements in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
15 ist eine anschauliche Darstellung eines optischen Beugungselements gemäß der Erfindung;
16 ist eine graphische Darstellung, welche die achsparallelen Aberrationen der optischen Abtasteinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
17 ist eine graphische Darstellung, die die achsparallelen Aberrationen der optischen Abtasteinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
18 ist eine graphische Darstellung der achsparallelen Aberrationen der optischen Abtasteinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
3 ist eine schematische Ansicht, die den Hauptteil eines Farbbilderzeugungsgeräts nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Nach 3 enthält das Gerät optische Abtasteinrichtungen 11, 12, 13 und 14, photoempfindliche Trommeln 21, 22, 23 und 24, die als Bildträger fungieren, Entwickler 31, 32, 33 und 34 und ein Transportband 41. In dem Farbbilderzeugungsgerät dieser Ausführungsform sind, wie weiter unten noch beschrieben wird, die vier optischen Abtasteinrichtungen (11, 12, 13, 14), die Ausrichtungsfehler aufgrund unterschiedlicher Schwankungen minimieren können [Anfangs-Änderungen (Fertigungsfehler, Verstellungen beim Aufbau und dergleichen), Umgebungsänderungen (Temperaturerhöhung und dergleichen)], in der Lage, Farb-Fehlausrichtungen zu verringern und sind an einander benachbarten Stellen an den Oberflächen der photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 und 24 zum Drucken eines Farbbilds mit hoher Geschwindigkeit angeordnet, entsprechend den Farben C (Cyan), M (Magenta), Y (Gelb) und B (Schwarz), um parallel Bildsignale (Bildinformation) aufzuzeichnen.
Ein Verfahren zum Minimieren von Ausrichtungsfehlern aufgrund unterschiedlicher Abweichungen und zum Reduzieren der Farb-Fehlausrichtung, außerdem ein optisches Element, welches bei dem Verfahren als charakteristisches Merkmal der Erfindung eingesetzt wird, werden im folgenden erläutert. Man beachte, daß die mehreren optischen Abtasteinrichtungen 11, 12, 13 und 14, die das Farbbilderzeugungsgerät bilden, die gleichen Ausgestaltungsmerkmale und optischen Effekte aufweisen, so daß im folgenden lediglich die optische Abtasteinrichtung 11 erläutert werden soll.
4 ist eine schematische Ansicht, die den Hauptteil dieser optischen Abtasteinrichtung 11 und den dazugehörigen Bildträger 21 zeigt, 5 ist eine Schnittansicht (Hauptabtastungs-Schnittansicht), die den Hauptteil eines in 4 dargestellten optischen Systems in Hauptabtastrichtung veranschaulicht.
Bezugnehmend auf die 4 und 5, enthält eine Lichtquelleneinrichtung 1 beispielsweise einen Halbleiterlaser. Eine Kollimatorlinse 2 fungiert als erstes optisches Element und wandelt einen von der Lichtquelleneinrichtung 1 abgegebenen, streuenden Lichtstrahl um in einen nahezu kollimierten Lichtstrahl. Eine Aperturblende 3 begrenzt einen durch sie hindurchtretenden Lichtstrahl (Lichtmenge). Eine zylindrische Linse (Zylinderlinse) 4 fungiert als zweites optisches Element und hat eine vorbestimmte Brechkraft in lediglich der Nebenabtastrichtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene der 5. Eine Linse 4 fokussiert den durch die Aperturblende 3 hindurchgelangten Lichtstrahl, um ein lineares Bild zu erzeugen, welches sich längs der Hauptabtastrichtung auf eine Ablenkfläche 5a eines Lichtdeflektors 5 (der unten beschrieben wird) erstreckt.
Der Lichtdeflektor 5 fungiert als Ablenkelement und enthält zum Beispiel einen polygonalen Spiegel (polygonalen Drehspiegel). Der Deflektor 5 wird mit konstanter Drehzahl in Pfeilrichtung A in 4 von einer (nicht gezeigten) Antriebseinrichtung, beispielsweise einem Motor oder dergleichen, gedreht.
Ein optisches Abtastelement 6 fungiert als drittes optisches Element mit einer fθ-Charakteristik, und es besitzt ein viertes optisches Element mit mindestens einem optischen brechenden Element, und ein fünftes optisches Element mit mindestens einem optischen Beugungselement. Das vierte optische Element enthält bei dieser Ausführungsform eine torische Kunststofflinse 61 mit unterschiedlichen Brechkräften in Haupt- und Nebenabtastrichtung, wobei die zwei Oberflächen der torischen Linse 61 in der Hauptabtastrichtung eine asphärische Form besitzen. Das fünfte optische Element enthält ein längliches optisches Beugungselement 62 mit unterschiedlichen Beugungskräften in Hauptabtastrichtung und in Nebenabtastrichtung. Bei dieser Ausführungsform ist die torische Linse 61 auf der Seite des Lichtdeflektors 5 bezüglich des Mittelpunkts zwischen der Drehachse O des Lichtdeflektors 5 und der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 (der abzutastenden Fläche) angeordnet, das optische Beugungselement 62 befindet sich auf der Seite der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 bezüglich des Mittelpunkts. Das optische Abtastelement 6 bildet einen Lichtstrahl basierend auf Bildinformation, der von dem Lichtdeflektor 5 abgelenkt wurde, auf die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 ab und korrigiert eine mögliche Verkippung oder Neigung der ablenkenden Fläche 5a des Lichtdeflektors 5 in Nebenabtastrichtung. Man beachte, daß das optische Beugungselement 62 bei dieser Ausführungsform ein durch Spritzgießen hergestelltes Kunststoffteil ist. Allerdings ist die Erfindung nicht speziell auf ein solches Element beschränkt. Man kann auch ein Beugungsgitter auf einem Glassubstrat mit Hilfe eines Kopierverfahrens herstellen, um den gleichen Effekt zu erzielen.
Bei dieser Ausführungsform sind die einzelnen Elemente (die optischen Abtastelemente) derart eingerichtet, daß ein Abstand L von der Drehachse O des Lichtdeflektors 5 zu der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 (der abzutastenden Fläche) kürzer ist als eine Länge W des effektiven Abtastbereichs auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21, und ein Neigungswinkel θ_i eines Lichtstrahls, welcher auf die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 in der Hauptabtastebene auftrifft, gleich oder kleiner als 27° im gesamten wirksamen Abtastbereich ist. Außerdem liegt bei dieser Ausführungsform ein maximaler Austrittswinkel θ_p, den der von dem Lichtdeflektor 5 abgelenkte Lichtstrahl mit der optischen Achse des optischen Abtastelements 6 bildet, in dem Bereich von 40° bis 60°.
Das Farbbilderzeugungsgerät dieser Ausführungsform bildet auf den Oberflächen der zugehörigen photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 und 24 mit Hilfe von Lichtstrahlen, die auf der Grundlage von Modulationssignalen von den vier optischen Abtasteinrichtungen 11, 12, 13 und 14 in der oben beschriebenen Weise erzeugt werden, latente Bilder. Beispielsweise werden latente Bilder in den Farben C (Cyan), M (Magental, Y (Gelb) und B (Schwarz) auf den Oberflächen der photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 bzw. 24 gebildet und anschließend einander überlappend auf einen Aufzeichnungsträger übertragen, um dadurch ein einzelnes Vollfarbenbild zu erzeugen.
In der optischen Abtasteinrichtung 11 dieser Ausführungsform wird von dem Halbleiterlaser 1 ein divergenter Lichtstrahl erzeugt, und von der Kollimatorlinse 2 in einen nahezu kollimierten Lichtstrahl umgewandelt, und dieser Lichtstrahl (die Lichtmenge) wird von der Aperturblende 3 begrenzt. Dann tritt der Lichtstrahl in die Zylinderlinse 4 ein. Von dem in die Zylinderlinse 4 eintretenden, nahezu kollimierten Lichtstrahl treten Lichtkomponenten in Hauptabtastrichtung als nahezu kollimierter Lichtstrahl aus. Anderseits konvergieren in Nebenabtastrichtung Lichtkomponenten unter Bildung eines nahezu linearen Bildes (eines linearen Bildes, welches sich in Hauptabtastrichtung erstreckt) auf der Ablenkfläche 5a des Lichtdeflektors 5. Das von der Ablenkfläche 5a des Lichtdeflektors 5 abgelenkte Licht wird über die torische Linse 61 und das optische Beugungselement 62 auf die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 geleitet. Durch Drehen des Lichtdeflektors 5 in Pfeilrichtung A tastet der Lichtstrahl die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 in Pfeilrichtung B optisch ab. Wie oben beschrieben, werden auf den Oberflächen der photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 und 24 latente Bilder in den Farben C (Cyan), M (Magenta), Y (Gelb) und B (Schwarz) erzeugt und anschließend einander überlappend auf einen Aufzeichnungsträger übertragen, um ein einziges Vollfarbenbild zu erzeugen.
Die Gestalten der torischen Linse 61 und des optischen Beugungselements 62, welche das dritte optische Element 6 der optischen Abtasteinrichtung 11 dieser Ausführungsform bilden, haben folgende Merkmale:

➀ Torische Linse: Eine asphärische Form, die sich ausdrücken läßt als eine Funktion bis zu der zehnten Ordnung in Hauptabtastrichtung.

Wenn der Schnitt mit der optischen Achse der torischen Linse der Ursprung ist, so ist die Richtung der optischen Achse definiert als eine x-Achse, eine Achse rechtwinklig zur optischen Achse in Hauptabtastrichtung ist als y-Achse definiert, und eine Achse rechtwinklig zur optischen Achse in Nebenabtastrichtung ist als z-Achse definiert.
Die Linsenform in der der Hauptabtastrichtung entsprechenden Erzeugungslinien-Richtung ist durch folgende Beziehung gegeben:
(wobei R der Krümmungsradius und K, B₄, B₆, B₈,
und B₁₀ asphärische Koeffizienten sind), und
die Linsenform in Meridianrichtung entsprechend der Nebenabtastrichtung (eine Richtung, die die optische Achse enthält und rechtwinklig zur Hauptabtastrichtung verläuft) gegeben durch:
für r' = r₀(1 + D₂Y² + D₄Y⁴ + D₆Y⁶ + D₈Y⁸ + D₁₀Y¹⁰)
(wobei r₀ der Meridian-Krümmungsradius auf der optischen Achse und D₂, D₄, D₆, D₈ und D₁₀ asphärische Koeffizienten sind).

➁ Optische Beugungselemente: eine Beugungsfläche, die sich ausdrückt durch eine Phasenfunktion bis hin zur sechsten Ordnung in Hauptabtastrichtung, ausgedrückt in Nebenabtastrichtung durch verschiedene Phasenfunktionen zweiter Ordnung abhängig von der Lage in Hauptabtastrichtung, ist gegeben durch: ϕ = mλ = b2Y2 + b4Y4 + b6Y6 + (d0 + d1Y + d2Y2 + d3Y3 + d4Y4)Z2 (wobei ϕ die Phasenfunktion, m die Beugungs-Ordnung, λ die verwendete Wellenlänge, Y die Höhe von der optischen Achse der Linse, b₂, b₄, b₆, d₀, d₁, d₂, d₃ und d₄ Phasenkoeffizienten sind und in der ersten bis dritten Ausführungsform Beugungslicht + 1-ter Ordnung verwendet wird).

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt das optische Layout dieser Ausführungsform, asphärische Koeffizienten der torischen Linse 61 und Phasenterme für das optische Beugungselement 62.
In der Tabelle 1 entspricht die effektive Abtastbreite W (297,0 mm) der Papierbreite des Formats A3. Die effektive Abtastbreite W gemäß der Erfindung steht für eine maximale Zuführbreite eines Papierbogens, der mit dem Bilderzeugungsgerät bedruckt werden kann.
6 ist eine anschauliche Darstellung, die achsparallele Aberrationen (Feldkrümmungen in Haupt- und Nebenabtastrichtungen, Verzerrung und dergleichen) dieser Ausführungsform veranschaulicht. Wie aus 6 ersichtlich ist, werden sämtliche Aberrationen, das heißt Feldkrümmungen in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung sowie Verzerrung, zufriedenstellend korrigiert.
Die Beziehung zwischen einem dezentrierten Maß dx der photoempfindlichen Trommeloberfläche (der abzutastenden Fläche) und einem Fehler dy bei der Vergrößerung in Hauptabtastrichtung aufgrund der dezentrierten Drehung sowie Lageabweichung der photoempfindlichen Trommel wird im folgenden erläutert. Unter Verwendung eines Parameters in Form eines maximalen Einfallwinkels θ_i eines Lichtstrahls, der auf die photoempfindliche Trommeloberfläche innerhalb der Ablenkebene (der Hauptabtastebene) auftrifft, drücken sich diese Werte folgendermaßen aus: dy = dx × tanθi.
Um Ausrichtungsfehler in Einheiten von Abtastzeilen zu unterdrücken, und um eine Farb-Fehlausrichtung in einem aktuellen Bild zu beseitigen, muß der Fehler dy der Vergrößerung in Hauptabtastrichtung unterdrückt werden auf die Hälfte oder weniger des dezentrierten Maßes dx der photoempfindlichen Trommeloberfläche. Aus diesem Grund müssen die einzelnen Elemente (das optische Abtastelement) derart eingestellt sein, daß der maximale Einfallwinkel θ_i eines auf die photoempfindliche Trommeloberfläche auftreffenden Lichtstrahls in der Ablenkebene folgende Bedingung erfüllt: tanθi ≤ 0,5 θi ≤ 27° (1)
Bei dieser Ausführungsform beträgt der maximale Einfallwinkel des Lichtstrahls, der auf die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 in der Ablenkebene auftrifft, θ_i = 25°, und die Fehlergröße dy der Vergrößerung in Hauptabtastrichtung zu dieser Zeit beträgt: dy = dx × tan25° = 0,466 × dx
Diese Werte garantieren ein optisches Abtastsystem (ein optisches Abtastelement), welches nicht so leicht zu einer Farb-Fehlausrichtung der Farben aufgrund von Montagefehlern der photoempfindlichen Trommel 21 und dergleichen sowie einer dezentrierten Drehung der Trommel 21 führt und außerdem eine exakte Ausrichtung gestattet.
Die obige Bedingungsformel (1) definiert den Einfallwinkel des Lichtstrahls, der auf die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 in der Hauptabtastebene auftrifft. Fällt der Einfallwinkel aus dem durch die Bedienungsformel (1) definierten Bereich heraus, so wird der Lichtstrahl leicht beeinflußt durch eine dezentrierte Drehung, durch eine Lageabweichung und dergleichen der photoempfindlichen Trommel 21.
Um Ausrichtungsfehler aufgrund unterschiedlicher Schwankungen [Anfangsänderungen (Fertigungsfehler, Abweichungen bei der Installation und dergleichen), Umgebungsänderungen (Temperaturerhöhung und dergleichen)] zu beheben, ist ein kompaktes optisches Abtastsystem (ein optisches Abtastelement) erforderlich, welches eine optische Weglänge L von der Drehachse des Lichtdeflektors zur photoempfindlichen Trommeloberfläche aufweist, die kürzer ist als die Länge W des effektiven Abtastbereichs. Bei dieser Ausführungsform ist die Länge des effektiven Abtastbereichs auf W = 297 mm (= A3-Größe) eingestellt, die optische Weglänge ist auf L = 246 mm eingestellt, wodurch eine Anordnung geschaffen ist, die nicht so leicht zu Ausrichtungsfehlern aufgrund unterschiedlicher Abweichungen führt.
Wenn bei dieser Ausführungsform θ_p den maximalen Austrittswinkel bildet, den der von dem Lichtdeflektor 5 abgelenkte Lichtstrahl mit der optischen Achse des optischen Abtastelements 6 bildet, so fällt der Winkel θ_p in den Bereich: 40° ≤ θp ≤ 60° (2)
Die Bedingungsformel (2) definiert den maximalen Austrittswinkel θ_p, den der von dem Lichtdeflektor 5 abgelenkte Lichtstrahl mit der optischen Achse des optischen Abtastelements 6 bildet, und wenn der Austrittswinkel aus dem durch die Bedingungsformel (2) definierten Bereich fällt, wird das Gerät leicht durch unterschiedliche Abweichungen beeinflußt, außerdem wird das gesamte Gerät sperrig. Insbesondere dann, wenn der Austrittswinkel den oberen Grenzwert des durch die Bedingungsformel (2) definierten Bereichs überschreitet, kann keine Abtastung mit einem Polygonspiegel erfolgen, der sechs Oberflächen oder mehr besitzt. Selbst wenn ein Polygonspiegel mit fünf Flächen oder weniger verwendet wird, muß jede Oberfläche eine beträchtliche Breite haben, was zu einem großen Polygonspiegel führt.
Wie oben beschrieben wurde, läßt sich bei dieser Ausführungsform, da die torische Linse 61 auf der Seite des Lichtdeflektors 5 und das optische Beugungselement 62 auf der Seite der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 als das optische Abtastelement 6 der optischen Abtasteinrichtung 11 verwendet werden und die mehreren optischen Abtasteinrichtungen 11, 12, 13 und 14 Bilder auf den Oberflächen der mehreren photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 und 24 erzeugen, ein billiges und einfaches Farbbilderzeugungsgerät realisieren, welches mit weniger Ausrichtungsfehlern unter den Farben behaftet ist.
Man beachte, daß das Farbbilderzeugungsgerät dieser Ausführungsform mehrere optische Abtasteinrichtungen und mehrere entsprechende photoempfindliche Trommeln enthält. Außerdem läßt sich die vorliegende Erfindung in ähnlicher Weise anwenden bei einem Gerät, welches eine einzige photoempfindliche Trommel enthält, so wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
7 ist eine Schnittansicht des Hauptteils eines optischen Systems in Hauptabtastrichtung, welches eine von mehreren optischen Abtasteinrichtungen zeigt, die ein Farbbilderzeugungsgerät gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung bilden, wobei außerdem eine dazugehörige photoempfindliche Trommel vorgesehen ist. In 7 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie in 5.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform dadurch, daß ein fünftes optisches Element, welches ein Element eines dritten optischen Elements 16 ist, aus einem optischen Verbundsystem 63 besteht, welches eine Zylinderlinse (eine zylindrische Linse) 63a mit Brechkraft in Hauptabtastrichtung kombiniert mit einem optischen Beugungselement 63b unterschiedlicher Brechkräfte in Haupt- und Nebenabtastrichtung. Die übrigen Ausgestaltungen sowie optischen Effekte sind im wesentlichen die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform, so daß gleiche Wirkungsweisen erzielt werden.
Insbesondere fungiert ein optisches Abtastelement 16 als drittes optisches Element mit fθ-Charakteristik, und es enthält ein viertes optisches Element mit mindestens einem optischen brechenden Element, und ein fünftes optisches Element mit mindestens einem optischen Beugungselement. Das vierte optische Element enthält bei dieser Ausführungsform eine einzelne torische Kunststofflinse 61 mit unterschiedlicher Brechkraft in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung. Das fünfte optische Element besteht aus einem optischen Verbundelement (einem länglichen Beugungselement) 63, welches eine einzelne Kunststoff-Zylinderlinse 63a mit Brechkraft in Hauptabtastrichtung kombiniert mit einem optischen Beugungselement 63b, welches Brechkraft in Haupt- und in Nebenabtastrichtung besitzt.
Die nachstehende Tabelle 2 zeigt das optische Layout dieser Ausführungsform, asphärische Koeffizienten der torischen Linse 61 und der Zylinderlinse 63a, und Phasenterme des optischen Beugungselements 63b.
8 ist eine anschauliche Darstellung, welche achsparallele Aberrationen (Feldkrümmungen in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung, Verzerrung und dergleichen) dieser Ausführungsform veranschaulicht. Wie aus 8 ersichtlich ist, werden sämtliche Aberrationen, das sind Feldkrümmungen in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung sowie Verzerrung, in zufriedenstellender Weise korrigiert.
Da bei dieser Ausführungsform die Zylinderlinse 63a mit Brechkraft in Hauptabtastrichtung dem optischen Beugungselement 63b hinzugefügt ist, läßt sich der maximale Einfallwinkel θ_i eines Lichtstrahls, der auf die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 in der Ablenkebene (der Hauptabtastebene) auftrifft, auf einen kleinen Winkel wie θ_i = 23,0° einstellen, so daß man ein optisches Abtastsystem (ein optisches Abtastelement) erhält, welches nicht so einfach zu einer Farb-Fehlausrichtung unter den Farben führt aufgrund von Montagefehlern der photoempfindlichen Trommel 21 und dergleichen sowie aufgrund einer dezentrierten Drehung der Trommel 21, so daß eine exakte Ausrichtung möglich ist.
Auch bei dieser Ausführungsform läßt sich, da die optische Länge L von der Drehachse des Lichtdeflektors 5 zur Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 auf einen Wert kleiner als die Länge W des effektiven Abtastbereichs eingestellt ist, eine Anordnung schaffen, die unempfindlich ist gegenüber Ausrichtungsfehlern aufgrund unterschiedlicher Abweichungen.
Wie oben beschrieben wurde, läßt sich, da die torische Linse 61 auf der Seite des Lichtdeflektors 5 und das optische Verbundelement 63 auf der Seite der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 in Kombination mit der Zylinderlinse 63a und dem optischen Beugungselement 63b als optisches Abtastelement der optischen Abtasteinrichtung 11 verwendet werden, und mehrere optische Abtasteinrichtungen 11, 12, 13 und 14 Bilder auf den Oberflächen der mehreren photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 und 24 aufzeichnen, ein billiges und einfaches Farbbilderzeugungsgerät realisieren, welches weniger an Ausrichtungsfehlern zwischen den Farben leidet.
9 ist eine Schnittansicht eines Hauptteils eines optischen Systems in Hauptabtastrichtung, welche eine von mehreren optischen Abtasteinrichtungen zeigt, die Bestandteil des Farbbilderzeugungsgeräts der dritten Ausführungsform der Erfindung ist und einer photoempfindlichen Trommel entspricht. Gleiche Bezugszeichen in 9 stehen für gleiche Teile wie in 7.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform dadurch, daß ein viertes optisches Element, welches ein Element des dritten optischen Elements 26 ist, aus einer torischen Linse 61 und einem optischen Beugungselement 64 besteht. Die anderen Ausgestaltungsmerkmale sowie optischen Effekte sind die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform, so daß man die gleiche Wirkungsweise erreicht.
Nach 9 dient insbesondere ein optisches Abtastelement 26 als drittes optisches Element mit fθ-Charakteristik, und es besitzt ein viertes optisches Element mit mindestens einem optischen brechenden Element, und ein fünftes optisches Element mit mindestens einem optischen Beugungselement. Das vierte optische Element enthält bei dieser Ausführungsform eine einzelne torische Kunststofflinse 61 mit unterschiedlichen Brechkräften in Haupt- und Nebenabtastrichtung, und ein erstes optisches Beugungselement 64 mit einer Brechkraft in Hauptabtastrichtung. Das fünfte optische Element besteht aus einem optischen Verbundelement (einem länglichen Beugungselement) 63, welches eine einzelne Kunststoff-Zylinderlinse 63a mit Brechkraft in Hauptabtastrichtung und ein zweites optisches Beugungselement 63b mit unterschiedlichen Brechkräften in Hauptabtastrichtung und in Nebenabtastrichtung miteinander kombiniert.
Die nachstehende Tabelle 3 zeigt das optische Layout dieser Ausführungsform, asphärische Koeffizienten der torischen Linse 61 und der Zylinderlinse 63a, und Phasenterme des ersten und des zweiten optischen Beugungselements 64 und 63b.
10 ist eine anschauliche Darstellung der achsparallelen Aberrationen (Feldkrümmungen in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung, Verzerrung und dergleichen) dieser Ausführungsform. Wie aus 10 entnehmbar ist, können sämtliche Aberrationen, das sind Feldkrümmungen in Haupt- und Nebenabtastrichtung und Verzerrung, zufriedenstellend korrigiert werden.
Da bei dieser Ausführungsform das erste optische Beugungselement 64 dem vierten optischen Element der Anordnung der zweiten Ausführungsform hinzugefügt ist, lassen sich die Feldkrümmung in Haupt- und Nebenabtastrichtung und die Verzerrung exakt korrigieren und ermöglichen damit ein noch genaueres Drucken.
Da bei dieser Ausführungsform der maximale Einfallwinkel θ_i eines auf die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 innerhalb der Ablenkebene (der Hauptabtastebene) einfallenden Lichtstrahls auf einen so kleinen Wert wie θ_i = 23,0° wie bei der zweiten Ausführungsform eingestellt werden kann, um ein optisches Abtastsystem (ein optisches Abtastelement) zu erreichen, welches weniger anfällig für Farb-Fehlausrichtungen der Farben aufgrund von Befestigungsfehlern der photoempfindlichen Trommel 21 und dergleichen sowie der dezentrierten Drehung der Trommel 21 ist, ist eine exakte Ausrichtung möglich.
Da außerdem bei dieser Ausführungsform die optische Weglänge L von der Drehachse des Lichtdeflektors 5 bis zur Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 auf einen Wert eingestellt werden kann, der kleiner ist als die Länge W des effektiven Abtastbereichs, läßt sich eine Anordnung schaffen, die unempfindlich ist gegenüber Ausrichtungsfehlern, die auf unterschiedliche Abweichungen zurückzuführen sind.
Wie oben beschrieben wurde, läßt sich mit dieser Ausführungsform, weil die torische Linse 61 und das erste optische Beugungselement 64 auf der Seite des Lichtdeflektors 5 angeordnet sind und das optische Verbundelement 63 auf der Seite der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 angeordnet ist und die Zylinderlinse 63a mit dem zweiten optischen Beugungselement 63b kombiniert, um das optische Abtastelement 26 der optischen Abtasteinrichtung 11 zu bilden, und die mehreren optischen Abtasteinrichtungen 11, 12, 13 und 14 Bilder auf den Oberflächen der mehreren photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 und 24 aufzeichnen, ein billiges einfaches Farbbilderzeugungsgerät schaffen, welches weniger an Ausrichtungsfehlern unter den Farben leidet.
Was den Aufbau des optischen Beugungselements in jeder Ausführungsform angeht, so ist eine konische Form, eine Einzelschichtstruktur mit einer Schicht, wie beispielsweise in 11 gezeigt ist, oder ein Aufbau mit zwei Schichten, erhalten durch Stapeln von zwei Schichten mit unterschiedlicher Gitterdichte, wie in 13 gezeigt ist, oder eine ähnliche Anordnung möglich.
12 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrads des Beugungslichts erster Ordnung eines in 11 gezeigten optischen diffraktiven (Beugungs-)Elements 101. Der aktuelle Aufbau des optischen Beugungselements 101 ist so, daß die Oberfläche eines Substrats 102 mit einem unter ultraviolettem Licht aushärtenden Harz beschichtet ist und eine Schicht 103 mit einer Gitterdicke d, die den Beugungs-Wirkungsgrad von Beugungslicht erster Ordnung bei einer Wellenlänge von 530 nm zu 100 % macht, auf dem Harz ausgebildet ist.
Wie aus 12 ersichtlich ist, wird der Beugungs-Wirkungsgrad gegenüber dem Sollwert geringer, wenn von der optimierten Wellenlänge von 530 nm abgerückt wird, während der Beugungs-Wirkungsgrad des Beugungslicht nullter Ordnung und des Beugungslichts zweiter Ordnung in der Nähe des Sollwerts zunimmt. Eine Zunahme des Beugungslichts außerhalb des Sollwerts führt zu einer Aufweitung, die ihrerseits zu einer Verringerung der Auflösung des optischen Systems führt.
14 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrads von Beugungslicht erster Ordnung eines mehrlagigen optischen Beugungselements, welches hergestellt wurde durch Stapeln zweier Schichten 104 und 105, wie in 13 gezeigt ist.
Bezugnehmend auf 13, ist auf einem Substrat 102 eine erste Schicht 104, bestehend aus einem bei Ultraviolettlicht aushärtendem Harz (nd = 1,499, νd = 54) gebildet, und auf dieser Schicht wiederum ist eine zweite Schicht 105 gebildet, bestehend aus einem weiteren bei Ultraviolettlicht aushärtendem Harz (nd = 1,598, νd = 281. In einer Kombination dieser Werkstoffe ist eine Gitterdicke d1 der ersten Schicht 104 auf d1 = 13,8 μm eingestellt, und eine Gitterdicke d2 der zweiten Schicht 105 ist auf d2 = 10,5 μm eingestellt.
Wie aus 14 ersichtlich ist, ist, weil das optische Beugungselement mit einer Mehrschichtstruktur verwendet wird, der Beugungs-Wirkungsgrad der Entwurfs-Ordnung so groß wie 95 % oder mehr im gesamten verwendeten Wellenlängenbereich.
Man beachte, daß das Werkstoff des oben beschriebenen optischen Beugungselements mit der mehrlagigen Struktur nicht beschränkt ist auf bei Ultraviolettlicht aushärtende Harze. Es können auch andere Kunststoffe verwendet werden, oder die erste Schicht 104 kann direkt auf dem Substrat gebildet werden, abhängig von dessen Werkstoff. Die Gitterdicken müssen nicht unterschiedlich sein. Abhängig von der Kombination der Werkstoffe können die beiden Schichten 104 und 105 gleiche Gitterdicke besitzen, wie in 15 gezeigt ist.
Da in diesem Fall kein Gittermuster auf der Oberfläche des optischen Beugungselements erzeugt wird, lassen sich eine hohe Staubdichtigkeit und eine einfache Montage des optischen Beugungselements garantieren. Erfindungsgemäß wird gemäß obiger Beschreibung in einem Bilderzeugungsgerät mit mehreren optischen Abtasteinrichtungen, weil jede dieser optischen Abtasteinrichtungen so eingerichtet ist, daß der Abstand von der Drehachse eines Ablenkelements der optischen Abtasteinrichtung zu dem entsprechenden Bildträger kleiner ist als die Menge des effektiven Abtastbereichs des Bildträgers, und ein Einfallwinkel θ_i eines Lichtstrahls, der auf die Oberfläche des Bildträgers in der Hauptabtastebene auftritt, gleich oder kleiner als 27° im gesamten effektiven Abtastbereich ist, ein kompaktes Farbbilderzeugungsgerät möglich, welches Ausrichtungsfehler aufgrund von unterschiedlichen Abweichungen (Anfangsänderungen und Umgebungsänderungen des Hauptkörpers des Farbbilderzeugungsgeräts) minimieren und Farb-Fehlausrichtungen mit einer einfachen Ausgestaltung reduzieren kann.
Ein Verfahren zum zufriedenstellenden Korrigieren von Abweichungen in der Aberration bei Umgebungsschwankungen (einer Temperaturschwankung oder einer Wellenlängenschwankung eines Halbleiterlasers aufgrund der Temperaturschwankung) bei einer optischen Abtasteinrichtung und dessen optischem Element wird als weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung im folgenden erläutert. Man beachte, daß die Ausgestaltung der Vorrichtung die gleiche ist wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, so daß sich die folgende Beschreibung auf die Verwendung der optischen Abtasteinrichtung (erste Ausführungsform) gemäß 4 konzentriert.
Ein optisches Abtastelement 6 fungiert als drittes optisches Element mit fθ-Charakteristik, und es besitzt refraktive und defraktive Anteile. Der refraktive Anteil umfaßt eine einzelne torische Kunststofflinse 61 mit unterschiedlichen Brechkräften in Haupt- und Nebenabtastrichtung, wobei die beiden Oberflächen der torischen Linse 61 in der Hauptabtastrichtung eine asphärische Form besitzen. Der diffraktive Anteil enthält ein längliches diffraktives optisches Element (Beugungselement) 62 mit unterschiedlichen Brechkräften in Haupt- und Nebenabtastrichtung. Bei dieser Ausführungsform befindet sich die torische Linse 61 auf der Seite des Lichtdeflektors in bezug auf den Mittelpunkt zwischen der Drehachse O des Lichtdeflektors 5 und der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 (der abzutastenden Fläche), und das optische Beugungselement 62 befindet sich auf der Seite der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 in bezug auf den Mittelpunkt. Das optische Abtastelement 6 bildet einen Lichtstrahl basierend auf Bildinformation, abgelenkt von dem Lichtdeflektor 5, auf die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 ab und korrigiert jede mögliche Neigung der Ablenkfläche 5a des Lichtdeflektors 5 in Nebenabtastrichtung. Man beachte, daß das optische Beugungselement 62 dieser Ausführungsform ein durch Spritzgießen hergestelltes Kunststoffteil ist. Außerdem ist die Erfindung nicht auf dieses spezielle Element beschränkt, man kann auch ein Beugungsgitter verwenden, welches hergestellt wird durch Kopieren auf ein Glassubstrat, um den gleichen Effekt zu erzielen.
Bei dieser Ausführungsform werden Änderungen in der Aberration in Haupt- und Nebenabtastrichtung auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 aufgrund von Umgebungsschwankungen (Temperaturschwankung und Wellenlängenschwankung des Halbleiterbauelements aufgrund der Temperaturschwankung) der optischen Abtasteinrichtung 11 korrigiert durch Änderungen in der Brechkraft (des Brechungsverhältnisses) zwischen der torischen Linse 61 und dem optischen Beugungselement 62. Eine Änderung der Aberration in Hauptabtastrichtung ist eine Änderung der Vergrößerung und/oder eine Änderung der Brennweite, und eine Änderung der Aberration in Nebenabtastrichtung ist eine Brennweitenänderung.
16 ist eine anschauliche Darstellung, welche die achsparallelen Aberrationen (Feldkrümmungen in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung, Vergrößerungsfehler (Lagefehler) und dergleichen) vor und nach Umgebungsänderungen dieser Ausführungsform veranschaulicht. Jede ausgezogene Kurve steht für die Kennlinie (den Entwurfswert) vor den Umgebungsänderungen (Normaltemperatur bei 25°C), und jede gestrichelte Kurve steht für die Kennlinie bei 50°C, das heißt für den Fall, daß die Temperatur der optischen Abtasteinrichtung um 25°C gestiegen ist.
Allgemein gesprochen, müssen bei der Erzeugung eines Farbbilds durch Aufzeichnen von Bildinformation in Farbeinheiten auf Oberflächen mehrerer photoempfindlicher Trommeln unter Verwendung mehrerer optischer Abtasteinrichtungen, um visuell Ausrichtungsfehler und Dichteungleichmäßigkeiten des Bilds unter den Farben zu eliminieren, ein Fehler in der Vergrößerung aufgrund von Umgebungsschwankungen (einer Temperaturschwankung und einer Wellenlängenschwankung des Halbleiterlasers aufgrund der Temperaturschwankung) auf 40 μm oder weniger reduziert werden, und es müssen Fokussierfehler in Haupt- und Nebenabtastrichtung auf ±1,0 mm oder weniger verringert werden.
Bei dieser Ausführungsform beträgt gemäß 16 ein Fehler in der Vergrößerung (Lage) in Hauptabtastrichtung aufgrund einer Temperaturerhöhung von +25°C 31 μm, was einen Fehler des Pixels (Lagefehler) auf unter etwa 3/4 Pixel im Fall eines Druckers mit einer Auflösung von 600 dpi verringern. Außerdem beträgt der Fehler in der Brennweite in Hauptabtastrichtung +0,7 mm, und der in Nebenabtastrichtung –0,5 mm, wobei es sich in beiden Fällen um visuell vernachlässigbare Werte handelt.
Man beachte, daß das Verhalten bei einer Temperaturerhöhung hauptsächlich für diese Ausführungsform erläutert wurde. Auch bei anderen Umgebungsschwankungen wie zum Beispiel einen Temperaturabfall, können die gleichen Effekte erwartet werden.
Bei dieser Ausführungsform werden diese Umgebungsschwankungen kompensiert durch optische Kunststoffelemente, um dadurch gleichzeitig eine Verringerung der Spritzgieß-Fertigungskosten und auch eine kürzere optische Weglänge zu erreichen, resultierend aus einer starken Korrektur der Feldwinkel-Aberration unter Verwendung asphärischer Flächen.
Wie oben beschrieben wurde, läßt sich, weil die torische Linse 61 und das optische Beugungselement 62 als optisches Abtastelement 6 der optischen Abtasteinrichtung 11 verwendet werden, und die mehreren optischen Abtasteinrichtungen 11, 12, 13 und 14 Bilder auf den Oberflächen der mehreren photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 und 24 aufzeichnen, ein billiges, einfaches Farbbilderzeugungsgerät schaffen, welches Fehler der Ausrichtung unter den Farben aufgrund von Umgebungsschwankungen wie beispielsweise einer Temperaturerhöhung minimieren kann, wobei das Gerät außerdem Bilddichte-Ungleichmäßigkeiten verringern kann.
Man beachte, daß das Farbbilderzeugungsgerät dieser Ausführungsform mehrere optische Abtasteinrichtungen und mehrere entsprechende photoempfindliche Trommeln enthält. Außerdem läßt sich die vorliegende Erfindung in ähnlicher Weise anwenden bei einem Gerät mit nur einer einzigen photoempfindlichen Trommel. In diesem Fall werden mehrere Lichtstrahlen von mehreren optischen Abtasteinrichtungen ausgegeben und zu verschiedenen Zonen auf einer einzigen photoempfindlichen Trommel geleitet, um deren Oberfläche abzutasten und ein Farbbild zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform werden Änderungen der Aberration auf der photoempfindlichen Trommeloberfläche, die durch Umgebungsänderungen hervorgerufen wurden, in sowohl der Haupt- als auch der Nebenabtastrichtung kompensiert. Aber auch dann, wenn solche Änderungen ausschließlich in Hauptabtastrichtung kompensiert werden, läßt sich ein zufriedenstellendes Farbbild herstellen.
Die folgende Erläuterung bezieht sich auf die optische Abtasteinrichtung (zweite Ausführungsform), die in 7 gezeigt ist.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der oben beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, daß ein optisches Verbundelement 63, welches eine Zylinderlinse (eine zylindrische Linse) 63a mit Brechkraft in Hauptabtastrichtung kombiniert mit einem optischen Beugungselement 63b, welches verschiedene Brechkräfte in Haupt- und Nebenabtastrichtung aufweist, anstelle des länglichen optischen Beugungselements 62 verwendet wird. Die übrigen Ausgestaltungen und optischen Effekte sind im wesentlichen die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform, so daß gleiche Wirkungsweisen erzielt werden.
Insbesondere dient ein optisches Abtastelement 16 als drittes optisches Element mit fθ-Charakteristik und enthält eine einfache torische Kunststofflinse 61, die als erster Brechungsteil fungiert und unterschiedliche Brechkräfte in Haupt- und Nebenabtastrichtung besitzt, ferner ein optisches Verbundelement (ein längliches Beugungselement) 63, welches eine einzelne Kunststoff-Zylinderlinse 63a, die als zweiter brechender Teil fungiert und eine Brechkraft in Hauptabtastrichtung besitzt, kombiniert mit einem optischen Beugungselement 63b, welches als Beugungsteil fungiert und unterschiedliche Brechkräfte in Haupt- und Nebenabtastrichtung besitzt.
Bei dieser Ausführungsform werden Änderungen der Aberration in Haupt- und Nebenabtastrichtung auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 aufgrund von Umgebungsschwankungen (einer Temperaturänderung und einer Wellenlängenänderung eines Halbleiterlasers aufgrund der Temperaturänderung) der optischen Abtasteinrichtung 11 korrigiert durch Änderungen der Brechkraft (des Brechungsverhältnisses) zwischen der torischen Linse 61 und dem optischen Verbundelement 63.
17 ist eine anschauliche Darstellung, die achsparallele Aberrationen (Feldkrümmungen in Haupt- und Nebenabtastrichtung, Fehler in der Vergrößerung (Lage) und dergleichen) vor und nach Umgebungsschwankungen dieser Ausführungsform veranschaulicht. Jede ausgezogene Kurve repräsentiert die Kennlinie (Entwurfswert) vor Umgebungsschwankungen (üblicherweise bei einer Temperatur von 25°C), und jede gestrichelte Kurve repräsentiert die Kennlinie bei 50°C, das heißt für den Fall, daß die Temperatur der optischen Abtasteinrichtung um 25°C gestiegen ist.
Da bei dieser Ausführungsform das längliche optische Beugungselement 63b mit der Zylinderlinse 63a, die Brechkraft in Hauptabtastrichtung besitzt, kombiniert ist, läßt sich ein Fehler in der Vergrößerung (Lage) in Hauptabtastrichtung genauer kompensieren.
Bei dieser Ausführungsform beträgt ein Fehler der Vergrößerung (Lage) in Hauptabtastrichtung aufgrund einer Temperaturerhöhung von +25°C 4 μm, was einen Fehler im Pixel (der Lage) auf unter etwa 1/10 Pixel im Fall eines Druckers mit einer Auflösung von 600 dpi drücken kann. Außerdem beträgt der Fokussierfehler in Hauptabtastrichtung +0,6 mm und in Nebenabtastrichtung –0,4 mm, in beiden Fällen handelt es sich also um visuell vernachlässigbare Werte.
Bei dieser Ausführungsform werden diese Umgebungsschwankungen für optische Kunststoffelemente kompensiert, so daß gleichzeitig eine Verringerung der Fertigungskosten beim Spritzgießen erreicht wird, außerdem eine kurze optische Weglänge aufgrund der großen Feldwinkel-Aberrationskorrektur unter Verwendung asphärischer Oberflächen.
Wie oben erläutert wurde, kann bei dieser Ausführungsform, weil die torische Linse 61 und das optische Verbundelement 63, welches die Zylinderlinse 63a mit dem optischen Beugungselement 63b kombiniert, als optisches Abtastelement 16 der optischen Abtasteinrichtung 11 verwendet werden, und weil die mehreren optischen Abtasteinrichtungen 11, 12, 13 und 14 Bilder auf den Oberflächen der mehreren photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 und 24 aufzeichnen, ein billiges und einfaches Farbbilderzeugungsgerät realisiert werden, welches Fehler in der Ausrichtung der Farben aufgrund von Umgebungsschwankungen wie beispielsweise einer Temperaturerhöhung minimieren und eine Bilddichte-Ungleichmäßigkeit unter den Farben verringert.
Die folgende Erläuterung bezieht sich auf den Einsatz der optischen Abtasteinrichtung (der dritten Ausführungsform) nach 9.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform dadurch, daß ein optisches Beugungselement 64 mit Brechkraft in Hauptabtastrichtung in der Nähe der torischen Linse 61 angeordnet ist. Die übrigen Ausgestaltungsmerkmale und optischen Effekte sind die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform, so daß die gleiche Wirkungsweise erzielt wird.
Insbesondere dient gemäß 9 ein optisches Abtastelement 26 als drittes optisches Element mit fθ-Charakteristik und besitzt eine einzelne torische Kunststofflinse 61 als erster brechender Teil und besitzt unterschiedliche Brechkräfte in Haupt- und Nebenabtastrichtung, ein erstes optisches Beugungselement 64, welches als erstes Beugungselement in der Nähe der torischen Linse 61 fungiert und Brechkraft in Hauptabtastrichtung besitzt, ein optisches Verbundelement (ein längliches diffraktives Element) 63, welches eine einzelne Kunststoff-Zylinderlinse 63a, die als zweiter brechender Teil fungiert und Brechkraft in Hauptabtastrichtung besitzt, mit einem zweiten diffraktiven optischen Element 63b kombiniert, welches als zweiter diffraktiver Teil fungiert und Brechkräfte in Haupt- und Nebenabtastrichtung besitzt.
Bei dieser Ausführungsform werden Änderungen der Aberration in Haupt- und Nebenabtastrichtung auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 21 aufgrund von Umgebungsschwankungen (einer Temperaturschwankung und einer Wellenlängenschwankung des Halbleiterlasers aufgrund der Temperaturschwankung) der optischen Abtasteinrichtung 11 korrigiert durch Änderungen der Brechkraft (des Brechkraftverhältnisses) zwischen der torischen Linse 61, dem ersten diffraktiven optischen Element 64 und dem optischen Verbundelement 63.
18 ist eine anschauliche Darstellung, die zeigt, wie achsparallele Aberrationen (Krümmungen des Felds in Hauptabtastrichtung und Nebenabtastrichtung, Fehler in der Vergrößerung (Lage) und dergleichen) vor und nach Umgebungsänderungen dieser Ausführungsform veranschaulicht. Jede ausgezogene Kurve steht für die Kennlinie (den Entwurfswert) vor Umgebungsänderungen (Normaltemperatur 25°C), und jede gestrichelte Linie stellt die Kennlinie bei 50°C dar, das heißt dann, wenn die Temperatur der optischen Abtasteinrichtung um 25°C gestiegen ist.
Da bei dieser Ausführungsform das erste optische Beugungselement 64 mit Brechkraft in Hauptabtastrichtung in der Nähe der torischen Linse 61 zusätzlich zu dem optischen Verbundelement 63 angeordnet ist, läßt sich ein Fehler in der Vergrößerung (Lage) in Hauptabtastrichtung genauer kompensieren, und die Entwurfswerte für die Feldkrümmungen und die Verzerrung lassen sich nahezu zu Null machen.
Bei dieser Ausführungsform beträgt gemäß 18 ein Fehler in der Vergrößerung (Lage) in Hauptabtastrichtung aufgrund einer Temperaturerhöhung von +25°C 2 μm, was einen Pixelfehler (Lagefehler) auf etwa unterhalb 1/20 Pixel im Fall von zum Beispiel einem Drucker mit einer Auflösung von 600 dpi unterdrücken kann. Außerdem beträgt der Fokussierfehler in Hauptabtastrichtung +0,6 mm, und derjenige in Nebenabtastrichtung –0,2 mm, beides visuell vernachlässigbare Werte. Ferner können die Entwurfswerte (vor Umgebungsschwankungen) der Aberrationen auf einem zufriedenstellend niedrigen Pegel gehalten werden, wie aus 18 hervorgeht.
Bei dieser Ausführungsform werden diese Umgebungsschwankungen für optische Kunststoffelemente kompensiert, so daß gleichzeitig eine Verringerung der Fertigungskosten durch Spritzgießen erreicht wird, dazu eine kurze optische Weglänge, resultierend aus der großen Feldwinkelaberrationskorrektur unter Verwendung asphärischer Flächen.
Wie oben beschrieben, kann bei dieser Ausführungsform, weil die torische Linse 61, das erste optische Beugungselement 64 und das optische Verbundelement 63, welches die Zylinderlinse 63a mit dem zweiten optischen Beugungselement 63b kombiniert, als optisches Abtastelement 26 der optischen Abtasteinrichtung 11 verwendet werden, und die mehreren optischen Abtasteinrichtungen 11, 12, 13 und 14 Bilder auf den Oberflächen der mehreren photoempfindlichen Trommeln 21, 22, 23 und 24 aufzeichnen, ein billiges einfaches Farbbilderzeugungsgerät geschaffen werden, welches Ausrichtungsfehler unter den Farben aufgrund von Umgebungsschwankungen, beispielsweise einer Temperaturänderung, minimiert und außerdem eine Bilddichte-Ungleichmäßigkeit unter den Farben verringern kann.
Was die Struktur des in jeder Ausführungsform verwendeten optischen Beugungselements angeht, so kann eine keilförmige einzellagige Struktur mit einer Schicht verwendet werden, wie zum Beispiel in 11 dargestellt ist, oder es kann eine zweilagige Struktur verwendet werden, erhalten durch Stapeln von zwei Schichten mit verschiedener (oder gleicher) Gitterdicke, wie in 13 dargestellt ist, oder man kann eine ähnliche Struktur verwenden.
12 zeigt die Wellenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrads für Beugungslicht erster Ordnung des optischen Beugungselements 101, welches in 11 gezeigt ist. In der aktuellen Struktur des optischen Beugungselements 101 ist die Oberfläche eines Substrats 102 mit einem bei Ultraviolettlicht aushärtenden Harz überzogen, und eine Schicht 103 mit einer Gitterdicke d, die den Beugungswirkungsgrad für Beugungslicht erster Ordnung auf 100 % bei einer Wellenlänge von 530 nm bringen kann, ist auf dem Harzbereich ausgebildet.
Wie aus 12 ersichtlich ist, wird der Beugungs-Wirkungsgrad gegenüber dem Sollwert geringer, wenn von der optimierten Wellenlänge von 530 nm abgerückt wird, während der Beugungs-Wirkungsgrad des Beugungslicht nullter Ordnung und des Beugungslichts zweiter Ordnung in der Nähe des Sollwerts zunimmt. Eine Zunahme des Beugungslichts außerhalb des Sollwerts führt zu einer Aufweitung, die ihrerseits zu einer Verringerung der Auflösung des optischen Systems führt.
14 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrads von Beugungslicht erster Ordnung eines mehrlagigen optischen Beugungselements, welches hergestellt wurde durch Stapeln zweier Schichten 104 und 105, wie in 13 gezeigt ist.
Bezugnehmend auf 13, ist auf einem Substrat 102 eine erste Schicht 104, bestehend aus einem bei Ultraviolettlicht aushärtendem Harz (nd = 1,499, νd = 54) gebildet, und auf dieser Schicht wiederum ist eine zweite Schicht 105 gebildet, bestehend aus einem weiteren bei Ultraviolettlicht aushärtendem Harz (nd = 1,598, νd = 28). In einer Kombination dieser Werkstoffe ist eine Gitterdicke d1 der ersten Schicht 104 auf d1 = 13,8 μm eingestellt, und eine Gitterdicke d2 der zweiten Schicht 105 ist auf d2 = 10,5 μm eingestellt.
Wie aus 14 ersichtlich ist, ist, weil das optische Beugungselement mit einer Mehrschichtstruktur verwendet wird, der Beugungs-Wirkungsgrad der Entwurfs-Ordnung so groß wie 95 % oder mehr im gesamten verwendeten Wellenlängenbereich.
Man beachte, daß das Werkstoff des oben beschriebenen optischen Beugungselements mit der mehrlagigen Struktur nicht beschränkt ist auf bei Ultraviolettlicht aushärtende Harze. Es können auch andere Kunststoffe verwendet werden, oder die erste Schicht 104 kann direkt auf dem Substrat gebildet werden, abhängig von dessen Werkstoff. Die Gitterdicken müssen nicht unterschiedlich sein. Abhängig von der Kombination der Werkstoffe können die beiden Schichten 104 und 105 gleiche Gitterdicke besitzen, wie in 15 gezeigt ist.
Da in diesem Fall kein Gittermuster auf der Oberfläche des optischen Beugungselements erzeugt wird, lassen sich eine hohe Staubdichtigkeit und eine einfache Montage des optischen Beugungselements garantieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann wie beschrieben bei einer mit einer Mehrzahl optischer Abtastvorrichtungen versehenen Farbbilderzeugungsapparatur, weil Aberrations-Änderungen als Folge von Umgebungsänderungen jeder optischen Abtastvorrichtung korrigiert werden durch Änderungen in der Brechkraft bzw.
Beugungskraft zwischen den brechenden und beugenden Abschnitten des optischen Abtastelementes jeder Vorrichtung, erreicht werden, dass eine kompakte Farbbilderzeugungsapparatur erhalten wird, bei der Ausrichtfehler und Bilddichteungleichförmigkeiten zwischen den Farben minimalisiert werden durch eine einfache Anordnung, und die sich für einen hochauflösenden Druck eignet.

Claims

Farbbilderzeugungsgerät, umfassend eine Mehrzahl optischer Abtasteinrichtungen (11, 12, 13, 14) mit Ablenkelementen und eine Mehrzahl Bildträger, wobei das Gerät derart ausgebildet ist, daß eine Mehrzahl Lichtstrahlen, die von den mehreren optischen Abtasteinrichtungen emittiert werden, zu einer Mehrzahl entsprechender Bildträger (21, 22, 23, 24) geleitet wird, um die Oberflächen der mehreren Bildträger mit den mehreren Lichtstrahlen abzutasten, dadurch gekennzeichnet, daß jede der optischen Abtasteinrichtungen ein optisches Abtastelement (6) enthält, welches ein Bild des von dem Ablenkelement (5) abgelenkten Lichtstrahls auf der Oberfläche des Bildträgers erzeugt, und in jeder der mehreren optischen Abtasteinrichtungen das optische Abtastelement derart eingerichtet ist, daß der entlang einer optischen Achse des optischen Abtastelements gemessene Abstand von der Drehachse des Ablenkelements zur Oberfläche des Bildträgers kürzer ist als die Länge eines effektiven Abtastbereichs auf der Oberfläche des Bildträgers, und der Einfallwinkel θ_i des Lichtstrahls, der in einem Hauptabtastabschnitt auf die Oberfläche des Bildträgers auftrifft, so eingestellt ist, daß er nicht mehr als 27 Grad in dem gesamten effektiven Abtastbereich beträgt.
Gerät nach Anspruch 1, bei dem das optische Abtastelement (6) zwei optische Elemente aufweist, bei denen es sich um ein brechendes optisches Element (61) und ein beugendes optisches Element (62) handelt, von denen das beugende optische Element derart angeordnet ist, daß es der Seite des Bildträgers näher liegt als das brechende optische Element.
Gerät nach Anspruch 1, bei dem ein maximaler Austrittswinkel θ_p, den der von dem Ablenkelement (5) abgelenkte Lichtstrahl mit der optischen Achse des optischen Abtastelements (6) bildet, in einen Bereich von 40 Grad bis 60 Grad fällt.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das brechende optische Element (61) eine torische Kunststofflinse ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das beugende optische Element (62) aus Kunststoff gebildet ist.