ITTO960119A1 - Analizzatore ottico - Google Patents

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ITTO960119A1
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Inoue Nozomu
Hama Takashi
Nomura Yujiro
Takada Kyu
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Seiko Epson Corp
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/008—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements with means for compensating for changes in temperature or for controlling the temperature; thermal stabilisation
    • G—PHYSICS
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/12—Scanning systems using multifaceted mirrors

Abstract

Il procedimento di produzione di una pellicola comprendente almeno uno strato di materiale di sopporto ed uno strato superficiale a base di alluminio, prevede che lo strato superficiale della pellicola sia sottoposto ad un trattamento di riscaldamento in presenza di ossigeno.Preferibilmente il trattamento di riscaldamento è effettuato mediante esposizione dello strato superficiale ad una fiamma.

Description

"Analizzatore ottico",
SFONDO DELL'INVELZIONE
La presente invenzione ? relativa ad un analizzatore ottico da utilizzare con una stampante laser ed altri apparecchi otti :i per la formazione di immagini. Pi? specificamente, l'invenzione ? relativa ad un procedimento per compensare il deterioramento delle caratteri^tiche ottiche dovuto a variazioni di temperatura.
Tecnica anteriore:
Un analizzatore ottico della tecnica anteriore ? illustrato schematicamente in Fig. 10. Un raggio laser, oppure raggi di luce elessi da un laser a semiconduttori 211, viene collimato in luce parallela tramite una lente collimatrice 221 e conformato in un raggio conv ergente tramite una lente cilindrica 222. Il fascio convergente converge in una delle sezioni trasversali che sono fra loro ortogonali ed include gli assi ottici della lente collimatrice 221. Il raggio conformato viene deflesso da uno specchio poligonale rotante 230. Il raggio deflesso viene fatto passare attraverso lenti analizzatrici 251 per essere focalizzato come punto sulla superficie 240 da analizzare. Il punto immagine ? sostanzialmente uguale alla cintura di raggio di un raggio gaussiano. Per garantire che il raggio sia focalizzato in modo da formare un'immagine planare sulla superficie 240, le lenti analizzatrici 251 sono progettate in modo da non produrre astigmatismo o curvatura del campo in quantit? maggiori di valori specifici. In aggiunta, le lenti analizzatrici 251 sono progettate in modo da creare una distorsione negativa in maniera che il raggio deflesso dallo specchio poligonale rotante 230 a velocit? angolare uniforme analizzi la superficie 240 a velocit? lineare uniforme.
Se un raggio di luce incidente sulla lente analizzatrice 251 ad un angolo di visione pari a ? viene trasformato in modo da formare un'immagine in maniera tale che l'altezza dell'immagine y sia proporzionale a ?, varr? il rapporto espresso da y = f0, dove f ? distanza focale della lente 251. Una lente che rispetta questo rapporto ? chiamata comunemente "lente f6".
Il raggio convergente dalla lente cilindrica 222 forma un'immagine di linea su una superficie di deflessione dello specchio poligonale rotante 230 in una direzione parallela alla direzione di analisi. L'immagine di linea in ultima analisi fornir? un punto di dimensione specifica sulla superficie 240. Pertanto, la sezione trasversale di sub-analisi dell'ottica in considerazione ? tale che ciascuna delle superfici di deflessione dello specchio poligonale rotante 230 risulta coniugata in modo ottico con la superficie 240. Ci? significa che anche se le superfici di deflessione dello specchio poligonale 230 non sono parallele uniformemente all'asse di rotazione in modo tale che l'angolo del raggio deflesso fluttui con una superficie di deflessione specifica nella direzione di sub-analisi, si mantiene il rapporto coniugato e i punti successivi del raggio si formano nella stessa posizione sulla superficie 240 nella direzione di sub-analisi. L'ottica di questo tipo ? chiamata comunemente "ottica di correzione dell 'inclinazione" per tener conto della sua capacit? di correggere l?inclinazione delle facce di deflessione dello specchio poligonale rotante 230. Qui il termine "direzione di analisi principale" significa la direzione che viene spazzata dal fscio di luce che viene deflesso dallo specchio poligonale rotante ed il termine direzione di sub-analisi" significa la direzione che ? perpendicolare alla direzione di analisi principale ed all'asse ottico di lenti.
Allo scopo di garantire che l'immagine di linea su una superficie di deflessione produca un punto circolare o ellittico di dimensione specifica sulla superficie 240, le lenti analizzatrici 251 devono avere caratteristiche ottiche diverse nelle direzioni principale e di sub-analisi. L'ottica di questo tipo ? chiamata comunemente "ottica anamorfica" .
Nella maggior parte degli analizzatori ottici convenzionali, le lenti analizzatrici 251 sono risultate composte totalmente da elementi di lente in vetro allo scopo di garantire una precisione esatta. Tuttavia, l'utilizzo di elementi di lente in plastica formata per iniezione sta aumentando oggigiorno a causa della notevole ampiezza di forma che ? offerta dalla formatura a iniezione e per ragioni economiche- Se si devono utilizzare superfici toriche nella costruzione di un'ottica "anamorfica" e, in particolare nel caso in cui la si fornisce di forme di sezione trasversale asferica (o non arcuata) piuttosto che arcuata, la fabbricazione degli elementi di lente desiderati ad un costo fattibile in pratica, lavorando sul vetro, ? molto difficile e pu? essere di applicazione commerciale soltanto grazie all'impiego di materiali plastici.
Una delle applicazioni principali degli analizzatori ottici ? su stampanti laser e si compiono costantemente sforzi per fornire una risoluzione migliore. A questo fine, si deve ridurre di conseguenza la dimensione del punto del raggio da formare sulla superficie 240. Pertanto, il primo requisito da rispettare ? quello di progettare un'ottica avente elevate prestazioni di formazione di immagini; in aggiunta, ? necessario montare un analizzatore ottico con le posizioni ed altre caratteristiche delle rispettive lenti che sono regolate con precisione in modo tale da focalizzare in maniera appropriata un raggio di luce sulla superficie da analizzare sia nella sezione trasversale principale sia in quella di sub-analisi .
Un altro problema con tale ottica ad elevata risoluzione ? che anche se essa ha inizialmente le prestazioni di formazione di immagini previste, la posizione in cui il raggio di luce viene focalizzato per formare un'immagine si sposter? in senso assiale in conseguenza di variazioni ambientali quali le variazioni di temperatura e questo fenomeno di "defocalizzazione" pu? deteriorare occasionalmente le prestazioni di formazione di immagini dell'ottica. Questo problema ? stato finora affrontato proponendo vari meccanismi di correzione o compensazione.
Problemi che l'invenzione deve risolvere:
Tuttavia, le proposte effettuate finora non sono state completamente soddisfacenti al fine di impedire il deterioramento delle prestazioni di formazione di immagini dovute a variazioni ambientali, in particolare variazioni di temperatura. Verranno ora descritti i problemi che le rispettive tecniche anteriori comportano con riferimento alla letteratura brevettuale.
La Pubblicazione di domanda di brevetto giapponese non esaminata (kokai) Sho 55-43577 descrive una tecnica in cui i particolari ottici intorno alla lente collimatrice sono progettati in modo da avere coefficienti di espansione lineare appropriati in maniera tale che le variazioni dipendenti dalla temperatura della distanza dalla lente collimatrice al laser a semiconduttori siano ridotte nell?ambito della profondit? di fuoco della lente collimatrice, costituendo in tal modo una garanzia contro le variazioni dipendenti dalla temperatura nelle caratteristiche del raggio emesso dalla lente collimatrice . L'espansione termica dei particolari ottici intorno alla lente collimatrice ? presa in considerazione da questa tecnica ma non tiene conto di altri fattori quali le variazioni dell?indice di rifrazione dovute a variazioni di lunghezza d'onda nella sorgente luminosa ed alla dispersione delle lenti utilizzate, le variazioni di indice di rifrazione con il materiale che costituisce le lenti e l'espansione termica delle lenti. Nell'ottica attuale, anche la temperatura pu? influenzare questi fattori, generando in tal modo la formazione di un'immagine in un punto distante dalla superficie da analizzare.
Se l'apertura numerica della lente collimatrice ? piccola, la profondit? di fuoco ? sufficientemente grande (ad esempio parecchie decine di micron) da non presentare problemi significativi anche se non si scelgono con particolare attenzione i coefficienti di espansione termica dei particolari ottici intorno alla lente collimatrice. In pratica, tuttavia, qualsiasi variazione della distanza dalla sorgente luminosa alla lente col limatrice viene amplificata dall'ingrandimento longitudinale dell'ottica globale disposta fra la sorgente luminosa e la superficie da analizzare e la posizione della formazione di immagini si discoster? notevolmente dal piano di immagine voluto. In aggiunta, lo scopo primario della tecnica ? quello di garantire che il raggio di luce che emerge da unit? laser intercambiabili abbia caratteristiche costanti e non intenda compensare le variazioni dipendenti dalla temperatura nelle prestazioni di formazione di immagini dell'ottica analizzatrice generando variazioni deliberate dipendenti dalla temperatura nelle caratteristiche del raggio di luce emesso dalla lente collimatrice, come verr? descritto pi? avanti in questo documento .
La Pubblicazione della domanda di brevetto giapponese non esaminata (kokai) Sho 63-7530 descrive una tecnica che affronta il problema delle variazioni dipendenti dalla temperatura nella lunghezza d'onda di funzionamento di un laser a semiconduttori che non era stato preso in considerazione dall'invenzione descritta nella Pubblicazione della domanda di brevetto giapponese non esaminata (kokai) Sho 55-43577, di cui sopra. La tecnica comprende la fornitura della lente collimatrice con aberrazioni cromatiche specifiche utilizzando la dispersione del vetro in modo tale che qualsiasi variazione della distanza focale della lente collimatrice che preveda variazioni di indice dovute alle aberrazioni cromatiche introdotte possa essere cancellata dall'espansione termica dei particolari ottici che si accoppiano alla lente collimatrice del laser a semiconduttori. Tuttavia, anche questa proposta non tiene conto delle variazioni dipendenti dalla temperatura nell'indice di rifrazione della lente e della sua espansione termica.
Questa tecnica risulta parallela all'invenzione descritta nella Pubblicazione della domanda di brevetto giapponese non esaminata (kokai) Sho 55-43557 per il fatto che lo scopo primario ? quello di garantire che il raggio di luce emesso dalla lente collimatrice mantenga uno stato costante (ad esempio parallelo) indipendentemente dalla temperatura. Tuttavia, allo scopo di compensare le variazioni dipendenti dalla temperatura nelle caratteristiche delle lenti diverse dalla lente collimatrice, si varia in modo desiderabile con la temperatura lo stato (in particolare, l'angolo di divergenza) del raggio emesso dalla lente collimatrice. Questo ? vero in particolare nel caso in cui la lente analizzatrice ? fatta di materiale plastico. Dato che il materiale plastico sar? soggetto a variazioni dipendenti dalla temperatura nell'indice di rifrazione che sono circa dieci volte maggiori della variazioni di indice nel vetro, ? molto difficile compensare tali notevoli variazioni tramite lenti diverse dalla lente collimatrice se il raggio emesso da guest'ultima ? tenuto in uno stato costante indipendentemente dalla temperatura.
Un procedimento per correggere la variazione dipendente dalla temperatura nell'indice di rifrazione di una lente in plastica utilizzando certi parametri ? descritto nella Pubblicazione della domanda di brevetto giapponese non esaminata (kokai) Hei 3-163411. Secondo questo procedimento, la lente analizzatrice ? fatta di materiale plastico e la variazione dipendente dalla temperatura del suo indice di rifrazione e la variazione della sua distanza focale dovuta all'espansione termica propria sono sottoposte ad una correzione ottimale prendendo in considerazione la variazione della distanza dal laser a semiconduttori alla lente collimatrice, cosi come la variazione di lunghezza d'onda nel laser a semiconduttori .
Tuttavia, anche questo procedimento non tiene conto della variazione dipendente dalla temperatura nell?indice di rifrazione della lente collimatrice oppure della sua espansione termica e, pertanto, non ? un mezzo ideale per realizzare una correzione soddisfacente delle variazioni di temperatura potenziali. In aggiunta, nessuna delle tre tecniche anteriori sopra descritte fornisce una soluzione effettiva ai problemi che la correzione dell'ottica comporta, quali l'ottica analizzatrice sopra citata dotata di un'ottica di "correzione dell'inclinazione", che ? soggetta a quantit? diverse di variazioni dipendenti dalla temperatura nelle caratteristiche di formazione di immagini nella direzione principale ed in quella di subanalisi. Non si sono avuti procedimenti anteriori che tenessero conto di due tipi di deviazione del piano dell'immagine dalla superficie da analizzare, uno essendo dovuto alla curvatura del campo ed all'astigmatismo e l'altro essendo la deviazione dovuta a variazioni di temperatura.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
La presente invenzione ? stata realizzata in queste circostanze ed ha come scopo la fornitura di un analizzatore ottico che tenga conto di tutti i fattori elencati qui di seguito e che ottimizza l'ottica in modo tale che i movimenti del piano dell'immagine dovuti a questi fattori siano cancellati l'uno dagli altri oppure che la somma di questi movimenti sia minimizzata o ridotta ad un valore piccolo accettabile nella pratica, garantendo in tal modo che l'analizzatore presenti prestazioni di formazione di immagini consistenti indipendentemente dalle variazioni della temperatura ambiente:
a. la variazione della geometria della lente dovuta all'espansione (o contrazione) dipendente dalla temperatura di una singola lente;
b. la variazione dipendente dalla temperatura nella posizione della singola lente, in particolare nella distanza dalla lente collimatrice alla sorgente luminosa;
c. le variazioni dipendenti dalla temperatura in a e & che si verificano nella direzione principale e in quella di sub-analisi in cui si osservano caratteristiche ottiche diverse rispetto all'asse ottico; e
d. il movimento del piano dell'immagine ad angoli diversi di deflessione alla presenza di astigmatismo e del campo della curvatura che sono inerenti all'ottica analizzatrice che interessa. Non occorre necessariamente che tutti questi fattori siano calcolati ma devono essere tenuti in considerazione se si ritiene che siano necessari sulla base della valutazione del loro effetto.
Mezzi per risolvere i problemi:
il suddetto scopo dell'invenzione pu? essere ottenuto tramite un analizzatore ottico secondo il primo aspetto dell'invenzione, che comprende una sorgente luminosa, una prima ottica con cui un raggio di luce emesso da detta sorgente di luce viene trasformato in modo da avere caratteristiche specifiche, un deflettore per deflettere il raggio di luce emesso da detta prima ottica, e una seconda ottica con cui il raggio di luce come deflusso con detto deflettore viene focalizzato in modo da formare un?immagine su una predeterminata superficie da analizzare, caratterizzato dal fatto che tenendo in considerazione sia una sezione trasversale di analisi principale che viene spazzolata dal raggio di luce come deflesso con detto deflettore ed una sezione trasversale di subanalisi che ? ortogonale a detta sezione trasversale di analisi principale e che comprende gli assi ottici di detta prima e detta seconda ottica, la sezione trasversale in cui il piano dell?immagine effettua la quantit? maggiore di movimento assiale in termini assoluti dovuta alla variazione della distanza da detta sorgente luminosa al primo elemento ottico di detta prima ottica ? identica alla sezione trasversale in cui il piano dell'immagine effettua la quantit? maggiore di movimento assiale in termini assoluti dovuta alle variazioni dipendenti dalla temperatura nelle caratteristiche ottiche di detta prima e detta seconda ottica.
Lo scopo pu? essere realizzato anche da un analizzatore ottico secondo il secondo aspetto dell'invenzione, che comprende una sorgente luminosa, una prima ottica con cui un raggio di luce emesso da detta sorgente luminosa viene trasformato in modo da avere caratteristiche specifiche, un deflettore per deflettere il raggio di luce emesso da detta prima ottica, e una seconda ottica con cui il raggio di luce come deflesso con detto deflettore viene focalizzato in modo da formare un 'immagine su una predeterminata superficie da analizzare, caratterizzato dal fatto che tenendo in considerazione sia una sezione trasversale di analisi principale che viene spazzolata dal raggio di luce come deflesso da detto deflettore ed una sezione trasversale di subanalisi che ? ortogonale a detta sezione trasversale di analisi principale e che comprende gli assi ottici di detta prima e detta seconda ottica, la sezione trasversale in cui il piano dell'immagine effettua la quantit? maggiore di movimento assiale in termini assoluti dovuta ad una variazione di temperatura ? diversa alla sezione trasversale in cui detta seconda ottica ? sottoposta alla maggior curvatura del campo.
In ciascuno degli analizzatori ottici secondo il primo ed il secondo aspetto, almeno uno degli elementi ottici della seconda ottica ? fatto di materiale plastico. Se lo si desidera.
l'analizzatore ottico del secondo aspetto pu? essere adattato in modo tale che la posizione assiale del valor medio di curvatura del campo della seconda ottica in una sezione trasversale di analisi principale si trovi in sostanziale coincidenza con la posizione assiale del valor medio di curvatura del campo della seconda ottica in una sezione trasversale di sub-analisi.
Nel primo aspetto dell'invenzione, la quantit? di movimento assoluta del piano di immagine dovuta alle variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche ? maggiore in una delle sezioni trasversali di analisi principale e di subanalisi rispetto all'altra sezione trasversale. Per compensare questa differenza, la sezione trasversale in cui il piano dell'immagine effettua la quantit? maggiore di movimento in termini assoluti dovuta alla variazione dipendente dalla temperatura della distanza dalla sorgente luminosa alla lente collimatrice ? atta ad essere identica alla sezione trasversale in cui il piano dell'immagine effettua la quantit? maggiore di movimento in termini assoluti dovuta alle variazioni dipendenti dalla temperatura nelle caratteristiche ottiche. In aggiunta, si permette che il primo movimento citato del piano dell'immagine avvenga in direzione opposta al secondo movimento citato del piano dell'immagine, per cui il movimento globale del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura si riduce al minimo.
Il secondo aspetto dell'invenzione si basa sulla compensazione da parte del primo aspetto sopra descritto, la sezione trasversale che comporta la quantit? maggiore di movimento residuo del piano dell'immagine ? atta ad essere identica alla sezione trasversale che comporta la curvatura minore del campo nell'ottica analizzatrice, per cui lo spostamento globale nel piano dell'immagine rispetto alla superficie da analizzare compreso quello causato da variazioni di temperatura si riduce al minimo.
BREVE DESCRIZIONE DEJL DISEGNI
La Figura 1 ? una vista in prospettiva che illustra la costruzione di un analizzatore ottico secondo il primo o il terzo esempio dell'invenzione;
la Figura 2 ? una sezione trasversale di analisi principale dell'ottica utilizzata nel primo e nel terzo esempio dell'invenzione;
la Figura 3 ? una sezione trasversale di subanalisi dell'ottica utilizzata nel primo e nel terzo esempio dell'invenzione;
la Figura 4 illustra dettagli dell'area intorno alla lente collimatrice utilizzata nel primo e nel terzo esempio dell'invenzione;
la Figura 5 ? una vista in prospettiva che illustra la costruzione di un analizzatore ottico secondo il secondo o quarto esempio dell'invenzione;
la Figura 6 ? una sezione trasversale di analisi principale dell'ottica utilizzata nel secondo e nel quarto esempio dell?invenzione;
la Figura 7 ? una sezione trasversale di subanalisi dell'ottica utilizzata nel secondo e nel quarto esempio dell'invenzione;
la Figura 8 ? un grafico che illustra curve di aberrazione ottenute nel terzo esempio dell 'invenzione;
la Figura 9 ? un grafico che illustra curve di aberrazione ottenute nel quarto esempio dell'invenzione; e
la Figura 10 ? una vista in prospettiva che illustra la costruzione di un analizzatore ottico della tecnica anteriore.
DESCRIZIONE DELLE FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE Verranno ora descritti quattro esempi dell'invenzione con riferimento alle Figure allegate. La Figura 1 ? una vista in prospettiva di un analizzatore ottico secondo il primo esempio della presente invenzione; la Figura 2 illustra una sezione trasversale di analisi principale dell'ottica utilizzata nell'analizzatore ottico; e la Figura 3 illustra una sezione trasversale di sub-analisi dell'ottica che comprende l'asse ottico e che ? ortogonale alla sezione trasversale di analisi principale. Come illustrato, un raggio laser emesso da un laser a semiconduttori 11 viene conformato dal passaggio attraverso una lente collimatrice 21 in modo da avere una sezione trasversale tale da fornire una luce generalmente parallela. Il raggio cos? conformato viene fatto passare attraverso una lente cilindrica 22 e viene focalizzato in modo da formare un'immagine di linea su una superficie di deflessione 32 di uno specchio poligonale rotante 31 in una direzione parallela alla direzione di analisi. Il raggio deflesso dallo specchio poligonale rotante 31 viene reso convergente dal passaggio attraverso lenti analizzatrici 51. Il raggio convergente deflesso viene riflesso da uno specchio di flessione 61 in modo tale da modificare la direzione del suo percorso, formando in tal modo un punto focalizzato di dimensione specifica sulla superficie 81 da analizzare. La lente analizzatrice 51 ha una caratteristica fq come gi? descritto in relazione alla tecnica anteriore.
Prima dell'analisi della superficie 81, il raggio deflesso viene riflesso da uno specchio rilevatore sincrono 72 che viene lanciato in un rilevatore sincrono 71 per generare il segnale di sincronismo necessario ad effettuare l'elaborazione di segnale per ogni analisi. I componenti sopra descritti sono fissati su una base ottica 91 che ? formata in resina in un unico pezzo. Le lenti analizzatrici 51 sono composte da due elementi di lenti 51a e 51b. L'elemento di lente 51a ? formato di vetro ottico ma l'elemento di lente 51b ? formato di materiale plastico dato che la superficie torica S9 (vedere Figure 2 e 3) da cui emerge il raggio deflesso pu? essere fabbricata di plastica in modo pi? facile rispetto al vetro.
Un foglio di dati specifico per l'ottica composta dalle superfici di lente SI - S9 ? fornita qui di seguito nella Tabella 1 in termini di distanza assiale tra le superfici di lente (d), il raggio para-assiale (R) e l'indice di rifrazione (n). Il simbolo x tra parentesi rappresenta il raggio paraassiale in una sezione trasversale di sub-analisi e il simbolo y tra parentesi rappresenta il raggio para-assiale in una sezione trasversale di analisi principale .
Tabella 1
?istanza Inaice di Numero 01 assiale tra rifrazione, n superficie Raggio para assiale,R lesuperfici,d
g _ ( sorgente luminosa ) 4.758 1.0000 51 ? 2.5 1.675 52 4.2189 10 1.0000
?k=-0 .8596
A=-0 . 4769xl0?J
B=-0 . 2991xl0-i
C=? 0 .97S7x10-;
D= 0 . 2824xl0^7
53 26. 25 (x ) 3 1.5112 co ( y )
54 ? 50 1 . 0000 55 ? 20 1.0000
(faccia riflettente) |
56 -123.23 5 1 .5112 57 13.523 (x) 14 . 266 1 . 0000 oo (y)
58 1859.9 15 1 .4862 59 -15.28 (x)
-60.96 (y)
219 1.000 L ' angolo di divergenza del raggio laser emesso dal laser a semiconduttori 11 ? pari a circa 10 gradi
in un piano parallelo al piano di giunzione nel dispositivo a semiconduttori ed aumenta fino a 30-40 gradi in un piano verticale al piano di giunzione. Pertanto, allo scopo di garantire il lancio efficiente del raggio in una lente di piccola apertura efficace, la lente collimatrice 21 ? progettata in genere in modo da avere una distanza focale variabile d? parecchi millimetri fino a circa 20 millimetri. L'angolo di divergenza del raggio laser in discussione ? espresso in termini di angolo totale a met? picco. Cos?, la lente collimatrice 21 ha la potenza ottica maggiore tra le lenti utilizzate nell'analizzatore ottico, ed allo scopo di garantire che il raggio della sua curvatura non sia indebitamente piccolo, la lente collimatrice 21 ? formata di materiale ottico avente elevato indice di rifrazione.
Allo scopo di fornire un'efficienza di accoppiamento migliore al laser a semiconduttore 11, l'apertura numerica della lente collimatrice 21 pu? essere aumentata ma quindi le aberrazioni sferiche che si sviluppano nella lente influenzeranno le prestazioni di formazione di immagini. Nelle circostanze, la superficie della lente collimatrice 21 ? resa talvolta sferica invece che sferica. Dato che non ? economico fabbricare superfici asferiche levigante materiali vetrosi, si impiegano spesso lenti formate di vetro. In questo caso, anche, si scelgono materiali vetrosi di elevato indice di rifrazione per ragioni di indice e di formabilit? (morbidezza). Nell'esempio in considerazione, SF8 (un tipo di vetro della Schott Glaswerke in Germania; nelle pagine che seguono, i materiali vetrosi sono identificati da tipo di vetro di questa azienda). Il coefficiente asferico che fornisce una superficie asferica ? definito qui di seguito dall'equazione (1). Occorre qui notare che per la valutazione delle modifiche dipendenti dalla temperatura nelle caratteristiche ottiche, si pu? effettuare il calcolo utilizzando il raggio paraassiale :
Ove
Z: posizione della superficie in un asse ottico, R: raggio parassiale di curvatura, e
y: distanza da un asse ottico.
Saranno sufficienti i materiali in vetro ottici convenzionali affinch? la lente cilindrica 22 presenti caratteristiche soddisfacenti e, pertanto, sia formata del vetro ottico BK7 pi? comune. L'elemento di lente di analisi 51a ? fatto anch'esso di BK7. Come gi? citato, l'elemento di lente di analisi 51b ? una lente in plastica ed ? formata da una resina acrilica (PMMA).
Discuteremo ora degli effetti della temperatura sul laser a semiconduttori e su ciascuna delle lenti utilizzate nell'analizzatore ottico. Prima di addentrarci nei dettagli, occorre descrivere in primo luogo le variazioni dipendenti dalla temperatura nella lunghezza d'onda di oscillazione del laser a semiconduttori 11. La lunghezza del risonatore nel laser a semiconduttori 11 ? variabile con la temperatura, e cos? anche la lunghezza di onda di oscillazione del laser ? variabile con la temperatura. Con il laser comune a semiconduttore GaAlAs, la lunghezza d'onda ad oscillazione aumenta di 0,23-0,26 nm in risposta ad un incremento di temperatura di 1?C. Questo aumento incrementale di lunghezza d'onda ? espresso come ?? /dT. Nel primo esempio in considerazione, si adotta un valore tipico di 0,25 (nm/?C) come ??/dT nell'esecuzione dei calcoli presenti.
D'altra parte, l'indice di rifrazione del materiale di lente dipende dalla lunghezza di onda. Il valore di 780 nm viene utilizzato come valore centrale della lunghezza d'onda di oscillazione del laser a semiconduttori 11. La variazione dipendente dalla lunghezza d'onda dell'indice di rifrazione (che ? chiamata in genere "dispersione") ? espressa dal numero di Abbe ma esso non ? adatto a descrivere le variazioni di lunghezze d'onda vicino a 780 nm. Per essere esatti, si utilizza una formula di dispersione espressa da un polinomio e si sostituiscono i valori specifici di lunghezza di onda nella formula per determinare gli indici di rifrazione e la variazione dipendente dalla lunghezza d'onda dell'indice di rifrazione (che ? espressa qui di seguito come dn/dX). In termini generali, l'indice di rifrazione diminuisce con l'aumento della lunghezza d'onda.
Pertanto, l'effetto globale delle variazioni di lunghezza d'onda sul laser a semiconduttori ? espresso da:
dn'/dT = (??/??) ? (dX/dT) (2) che rappresenta la variazione dell'indice di rifrazione per un grado Celsius. L'indicazione "dn'/dT" ? utilizzata per effettuare una distinzione dalla variazione dipendente dalla temperatura dell'indice di rifrazione del materiale della lente di per se.
Descriveremo ora il rapporto tra l'indice di rifrazione del materiale di lente e la temperatura. Gli indice di rifrazione dei materiali ottici sono in genere variabili con la temperatura. Non soltanto il materiale della lente ma anche l'aria circostante saranno sottoposti ad una variazione dell'indice di rifrazione con la temperatura. Pertanto, la velocit? di variazione dipendente dalla temperatura dell'indice di rifrazione (che ? espressa da qui in avanti come dn/dT) viene riferita al valore per l'aria alla stessa temperatura. Quando la temperatura cresce il materiale della lente si espander? e la sua densit? varier?, generando una variazione dell'indice di rifrazione e anche questa variazione di indice ? compresa in dn/dT.
Quando la temperatura cresce l'indice di rifrazione di un certo materiale della lente aumenter? o diminuir? a seconda del tipo di materiale della lente. Consideriamo, ad esempio, il SFL6; la variazione dipendente dalla temperatura nell'indice di rifrazione di questo materiale vetroso ? dieci volte inferiore alla variazione di indice in altri materiali vetrosi, ad esempio BK7. Al contrario, la resina acrilica (PMMA) utilizzata nell'elemento di lente di analisi 51b ? sottoposta a variazioni di indice che sono almeno dieci volte maggiori di quanto avviene il altri materiali vetrosi quali BK7. Questi materiali vetrosi hanno indici di rifrazione maggiori quando la temperatura aumenta. D'altra parte, i materiali in plastica in generale tendono ad avere un indice di rifrazione inferiore quando la temperatura aumenta.
Infine, descriveremo la variazione dipendente dalla temperatura nel volume del materiale della lente. Come i comuni materiali per ingegneria, anche il materiale della lente si espande in volume quando la temperatura cresce. La velocit? di espansione pu? essere espressa da un coefficiente di espansione lineare ?, che rappresenta una variazione incrementale monodimensionale per un grado Celsius. Nell'invenzione, non solo le lenti ma anche altri elementi quali la base ottica 91 sono compresi nella discussione della espansione termica. Il coefficiente di espansione lineare non
? molto diverso tra i vari gradi di materiale
vetroso ottico ma il coefficiente di espansione
lineare dei materiali plastici e quasi dieci volte
maggiore del valore per i materiali vetrosi. I dati
relativi alla variazione dipendente dalla lunghezza
d'onda dell'indice di rifrazione (??'/???), alla
variazione dipendente dalla temperatura dell'indice
di rifrazione del materiale della lente (dn/dT) e
del coefficiente di espansione lineare (?) sono
forniti collettivamente nella Tabella 2 per
materiali tipici di vetro e di plastica.
Tabella 2
i
Discuteremo ora quanto il piano dell'immagine si
sposter? quando la temperatura dell'ottica globale Movimenti relativi del piano dell ' immagine per 1?C nella sezione trasversale di sub-analisi
Dovuti a Dovuti a Dovuti variazione e variazione all'espansione dispersione di ? dell ' indice della lente lente 0.1511 -0.0791 0.0603 collimatrice
lente 0.0075 -0.0037 0.0053 cilindrica
lente -0.0024 0.0011 -0.0005 analizzatrice
1
lente 0.019 0.3219 0.0836 analizzatrice
2
totale 0.5641
I dati in Tabella 3 sono stati ottenuti tramite calcolo ipotizzando che le singole lenti, la sorgente luminosa (laser a semiconduttore) o la superficie da analizzare non cambino la loro posizione anche se varia la temperatura. Si utilizza un segno positivo per indicare la direzione in cui il piano dell'immagine si scosta dalla sorgente luminosa. Come si pu? vedere dalla Tabella 3, nella sezione trasversale di subanalisi, i movimenti del piano dell'immagine dovuti alla variazione di indice del materiale ottico per l'elemento di lente di analisi 51b sono maggiori di quelli del piano dell'immagine dovuti ad altri fattori .
aumenta di 1?C nel primo esempio nel primo aspetto dell'invenzione che ? illustrato nelle Figure 2 e 3. Le variazioni di indice nei rispettivi materiali della lente (dn/dT), le variazioni dell'indice dovute alla dispersione e alla variazione di lunghezza d'onda (dn'/dT) e l'espansione della lente (?) realizzano quantit? diverse di contributi al movimento del piano dell'immagine e i rispettivi contributi cosi come la quantit? di movimento del piano di immagine calcolata sommando questi contributi sono elencati nella successiva Tabella 3 per ciascuna delle sezioni trasversali di analisi principale e di sub-analisi.
Tabella 3
Movimenti relativi del piano dell ' immagine per 1?C nella sezione trasversale di analisi principale Dovuti a Dovuti a Dovuti variazione e variazione all'espansione dispersione di ? dell ' indice della lente lente 0.1004 -0.0524 0.04 collimatrice
lente 0 0 0 cilindrica
lente -0.0017 0.0008 -0.0012 analizzatrice
1
lente 0.054 0.0916 0.0291 analizzatrice
2
totale 0.2120 Ad un esame pi? preciso relativo alla lente collimatrice della Tabella 3, si pu? vedere che a confronto con i movimenti del piano dell'immagine dovuti alla variazione di indice dipendente dalla variazione di lunghezza d'onda e dalla dispersione, i movimenti del piano dell'immagine dovuti alla variazione dipendente dalla temperatura dell'indice di rifrazione del materiale della lente di per se sono pari a circa met? ed in direzione opposta.
La lente collimatrice 21 ? fatta di vetro ma i movimento del piano dell'immagine dovuti all'espansione della lente di per se sono quasi confrontabili con i movimenti del piano dell'immagine dovuti all'espansione dell'elemento di lente di analisi 51b di per se che ? fatto di materiale plastico. E' pertanto chiaro che si deve prendere in considerazione anche l'espansione dipendente dalla temperatura per lenti di vetro se esse hanno grande potere ottico.
Allo scopo della presente discussione, i movimenti del piano dell'immagine dovuti alle suddette variazioni dipendenti dalla temperatura della lunghezza d'onda, variazione di indice dipendenti dal materiale ed espansione termica della lente di per se sono chiamati collettivamente "il movimento del piano dell'immagine dovuto alle variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche". Come gi? citato in relazione alla descrizione della tecnica anteriore, non ? risultato disponibile alcun analizzatore ottico che abbia una correzione per il movimento sopra definito del piano dell'immagine tenendo in considerazione i tre fattori, in particolare l'espansione termica delle lenti di vetro. Ai singoli fattori che influenzano il movimento del piano dell'immagine ? attribuito il dovuto apprezzamento nell'invenzione, che quindi propone un procedimento efficace per correggere le variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche.
Come dimostra la Tabella 3, in assenza di qualsiasi mezzo correttivo, il piano dell'immagine si sposterebbe di circa 0,56 millimetri per una crescita di temperatura di 1?C nell'ambito della sezione trasversale di sub-analisi. Data una differenza di temperatura corrispondente al campo di 15<e>C in cui si deve utilizzare l'analizzatore ottico, il piano dell'immagine si sposterebbe di circa 8,5 millimetri. Un raggio laser con fronti d'onda a fase costante pu? essere caratterizzato come raggio gaussiano il cui diametro d ad una distanza assiale z dalla cintura del raggio su cui il diametro del raggio assume il valore minore ? espresso dalla seguente equazione (il diametro del raggio ? definito come diametro in cui l'intensit? della sezione trasversale di un raggio ? 1/e<2 >dell'intensit? di picco):
dove ? ? la lunghezza d'onda e dg ? il diametro del raggio nella cintura del raggio. In un'ottica del tipo utilizzato nel primo esempio, la cintura del raggio ? posizionata in sostanziale coincidenza con il punto immagine dell'ottica geometrica.
Secondo l'equazione (3), il diametro di un raggio laser che produce una dimensione di punto di 100 ??? alla cintura del raggio aumenter? fino a 131 ??? se il piano dell'immagine si sposta di 8,5 millimetri tenendo conto di una variazione di temperatura. Se si deve ridurre la variazione di dimensione del punto di 20% a 120 ???, il movimento ammissibile del piano dell'immagine sar? 6,7 millimetri.
Analogamente, data una differenza di temperatura di 15?C, il piano dell'immagine si sposterebbe di circa 3,2 millimetri nell'ambito della sezione trasversale di analisi principale ed esso ? inferiore al movimento all'interno della sezione trasversale di sub-analisi. Ci? avviene poich?, come gi? citato, l'ottica utilizzata nell'esempio in considerazione ? tale che l?elemento di lente di analisi 51b che ha un effetto dominante sulle variazioni di temperatura ha un potere maggiore in sezione trasversale di sub-analisi rispetto a quello nella sezione trasversale di analisi principale. Cos?, l'ottica anamorfica ? nella maggior parte dei casi tale che la variazione delle caratteristiche ottiche in risposta ad una variazione di temperatura ? diversa anche in due sezioni trasversali ortogonali comprendenti l?asse ottico. In altre parole, la quantit? di astigmatismo varier? con la temperatura nell'ottica anamorfica.
Allo scopo di correggere i movimenti del piano dell'immagine che avvengono a seguito di variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche, si pu? rilevare la posizione del piano dell'immagine tramite qualche procedimento e controllarla generando una piccola variazione della posizione della lente o di qualche altro parametro.
Con questo controllo, si pu? garantire una precisione molto elevata nel portare la posizione del piano dell'immagine in coincidenza con la superficie da analizzare ma ci? pu? essere realizzato soltanto impiegando una configurazione di ottica complicata e costosa.
Per evitare questo problema, si pu? utilizzare l'espansione termica dei dispositivi di supporto della sorgente luminosa e delle lenti e la distanza dalla sorgente luminosa ad una singola lente pu? essere variata in modo tale che il piano dell'immagine si sposter? per cancellare il proprio movimento dovuto alle suddette variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche. Tuttavia, con particolari di materiali ordinari per l'ingegneria, i coefficienti di espansione lineare dipendenti dalla temperatura sono all'incirca 1x10<?>^ e, pertanto, ? difficile espandere un certo particolare in misura tale che le lenti analizzatrici possano essere spostate di una quantit? sufficientemente grande in modo da risultare uguale al movimento del piano dell'immagine di per se. Ovviamente, ci? ? possibile fornendo mezzi di allargamento meccanici ma questo non solo incrementa il costo ma diminuisce anche l'affidabilit? tipicamente a causa di errori nella quantit? di spostamento che sono causati da attrito e deformazione. Ne segue quindi che un approccio desiderabile ? quello di scegliere una lente che sia situata in posizione tale che il movimento pi? lieve della lente generi un movimento sostanziale del piano dell'immagine e quindi stabilire la quantit? necessaria del movimento della lente dipendente dalla temperatura.
Nell'ottica utilizzata nel primo esempio dell'invenzione, la variazione della distanza dalla sorgente luminosa (laser a semiconduttori 11) alla lente collimatrice 21 ha pi? influenza sul movimento sul piano dell'immagine rispetto alle variazioni in qualsiasi altra parte. Pertanto, se si scelgono i materiali appropriati per le parti che accoppiano la sorgente luminosa 11 e la lente collimatrice 21, i movimenti del piano dell'immagine dovuti alle variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche possono essere ridotti ad una quantit? inferiore ai livelli ammissibili senza prevedere alcuna unit? di controllo o meccanismo speciale.
Tranne la variazione della distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21, il movimento del piano dell'immagine Celsius dovuto all'espansione termica delle altre parti quali la base ottica ? calcolato in modo da risultare pari a circa 0,0001 millimetri nella sezione trasversale di analisi principale e 0,015 millimetri nella sezione trasversale di sub-analisi. Questi valori sono notevolmente inferiori alle corrispondenti somme dei movimenti dovuti ai fattori elencati in Tabella 3 e possono essere trascurate con sicurezza a scopi pratici.
Il precedente calcolo dei movimenti delle lenti dovuti a variazioni di temperatura ipotizzava che le singole lenti fossero montate sulla base ottica 91 nelle facce di entrata laddove il laser a semiconduttori 11 era fissato alla base ottica 91 nel punto di emissione della luce.
Dettagli della struttura attorno alla lente collimatrice nell'ottica del primo esempio sono illustrati in Figura 4. Il laser a semiconduttori 11 ? inserito in un porta-LD 12 e la lente collimatrice 21 ? montata in un cilindro di lente collimatrice. Il porta-LD 12 ? avvitato alla base ottica 91 laddove il cilindro 23 della lente collimatrice ? fissato alla base 91 con un adesivo.
Descriveremo ora specificamente un primo procedimento per correggere i movimenti del piano dell'immagine nelle sezioni trasversali di analisi principale e di sub-analisi che avvengono a causa di variazioni di temperatura. Il procedimento comprende la variazione della distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21 di una quantit? che cancelli sostanzialmente il movimento del piano dell'immagine nella sezione trasversale di sub-analisi. La quantit? da determinare ? circa 0,35 ??? per 1 grado Celsius. Si utilizza un segno positivo per indicare la direzione in cui il laser a semiconduttori 11 si allontana dalla lente collimatrice 21. Nel caso che interessa il piano dell'immagine si sposta di -0,15 millimetri nella sezioni trasversale di analisi principale. Cos?, in risposta alla variazione di 0,35 ??? della distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21, il piano dell'immagine si sposta di 0,36 millimetri nella sezione trasversale di analisi principale e di 0,56 millimetri nella sezione trasversale di sub-analisi. Nell'ottica in considerazione, il piano dell'immagine si sposta a causa di variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche di una quantit? maggiore nella sezione trasversale di sub-analisi rispetto a quella nella sezione trasversale di analisi principale e questo ? vero anche per il movimento del piano dell'immagine che ? realizzato variando la distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21.
Cos?, la sezione trasversale in cui il piano dell'immagine effettua la quantit? maggiore di movimento dovuto a variazioni dipendenti alla temperatura delle caratteristiche ottiche delle singole lenti avr? un maggior beneficio dallo spostamento della sorgente luminosa (laser a semiconduttori 11) rispetto alla lente collimatrice 21. Allo scopo di garantire che la distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21 sia sottoposta ad una variazione specifica con la temperatura, si possono scegliere la struttura ed i materiali costitutivi della parte meccanica rilevante in maniera appropriata in modo tale che i movimenti del piano dell'immagine dovuti a variazioni di temperatura possono essere tenuti a livelli minimi per l'analizzatore ottico.
In questo primo procedimento di correzione, la distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21 viene modificata in modo tale che il movimento del piano dell'immagine nella sezione trasversale di sub-analisi dovuto ad una variazione di temperatura sia sostanzialmente cancellato- Secondo un secondo procedimento di correzione, la distanza dal laser a semiconduttori 11 alla lente collimatrice 21 pu? essere regolata di una quantit? tale da cancellare il movimento del piano dell'immagine nella sezione trasversale di analisi principale. In questo caso alternativo, si pu? lasciar espandere di 0,21 ??? la lente collimatrice 21 rispetto al laser a semiconduttori 11 per 1 grado Celsius; ci? ? sufficiente a cancellare sostanzialmente il movimento del piano dell'immagine che avviene nella sezione trasversale di analisi principale dovuto ad una variazione di temperatura, ma, d'altra parte, un movimento del piano dell'immagine corrispondente a 0,22 millimetri rimane non corretto nella sezione trasversale di sub-analisi.
Esiste un altro procedimento che pu? essere adottato a scopo correttivo. Secondo questo terzo procedimento, il movimento del piano dell'immagine non viene corretto completamente nella sezione trasversale di analisi principale o in quella di sub-analisi e si riducono le quantit? assolute dei movimenti residui. Per esempio, se la distanza del laser a semiconduttori 11 alla lente collimatrice 21 ? posta in modo da variare di 0,29 ??? per 1 grado Celsius (cio? si lascia espandere la lente collimatrice di tale quantit? rispetto al laser a semicorfduttori), il piano dell'immagine si sposter? di 0,09 millimetri verso la sorgente luminosa nella sezione trasversale di analisi principale ma lontano da essa nella sezione trasversale di subanalisi .
Cos?, in uno qualsiasi dei tre procedimenti correttivi sopra descritti, si pu? ridurre il movimento del piano dell'immagine per 1 grado Celsius sia nella sezione trasversale di analisi principale sia in quella di sub-analisi a confronto con il caso in cui non si effettua alcuna correzione. L? scelta della sezione trasversale dove si deve effettuare la correzione e la determinazione del limite superiore per la quantit? del movimento del piano dell'immagine dipendono interamente da quale sezione trasversale, la sezione trasversale di analisi principale o quella di sub-analisi, richiede una risoluzione pi? elevata .
Verr? ora descritta una applicazione specifica di vari procedimenti correttivi al primo esempio dell'invenzione. Dato che la distanza dalla sorgente luminosa (laser a semiconduttori 11) alla lente collimatrice 21 ? pari a circa 4,76 millimetri, il coefficiente di espansione termica lineare che soddisfa le condizioni operative per il terzo procedimento correttivo ? 0,00029/4.76 ? 61xl0<-6>. Se tutti i componenti utilizzati tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice 21 hanno lo stesso coefficiente di espansione lineare, essi possono essere formati da un materiale avente il valore sopra indicato (61xl0<-6>).
Questo valore ? difficile da ottenere con materiali metallici ma pu? essere realizzato con materiali plastici non contenenti rinforzi oppure con materiali plastici rinforzati con vetro che contengono in aggiunta un rinforzo nella direzione normale al flusso delle fibre. In alternativa il coefficiente di espansione lineare del cilindro 23 della lente collimatrice pu? essere regolato in modo da poter risultare inferiore a quello del porta-LD 12 e della base ottica 91. Se lo si desidera, si pu? aumentare la lunghezza del cilindro 23 della lente collimatrice 21 oppure si possono interporre altri elementi e questi procedimenti sono ugualmente efficaci nel variare la distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21 nella maniera sopra descritta .
Contrariamente al primo esempio, la variazione della distanza dalla sorgente luminosa alla lente collimatrice pu? generare lo spostamento del piano dell'immagine di una quantit? maggiore della sezione trasversale di analisi principale rispetto a quella nella sezione trasversale di sub-analisi. Se, in questo caso, la struttura ed i materiali costitutivi dei componenti tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice sono scelti in modo da cancellare il movimento del piano dell'immagine nella sezione trasversale di sub-analisi dovuto a variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche, la posizione del piano dell'immagine nella sezione trasversale di analisi principale sar? sottoposta ad uno scostamento notevole dalla superficie da analizzare, che supera la quantit? del movimento del piano dell'immagine che si avrebbe nella sezione trasversale di subanalisi se non fosse effettuata alcuna correzione.
Allo scopo di superare questo problema, la presente invenzione dispone l'ottica in modo tale che la variazione della distanza tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice consentir? di spostare il piano dell'immagine di una quantit? maggiore della sezione trasversale di sub-analisi rispetto a quella nella sezione trasversale di analisi principale, garantendo in tal modo una correzione pi? efficace delle variazioni dipendenti dalla temperatura della posizione del piano dell'immagine. Ci? significa che l'efficacia della correzione aumenta quando il rapporto di ingrandimento longitudinale dell'ottica dalla sorgente luminosa al punto di formazione dell'immagine (oppure alla superficie da analizzare) nell'ambito di due sezioni trasversali ortogonali compreso l'asse ottico diventa pi? vicino al rapporto di movimento del piano dell'immagine nelle due sezioni trasversali dovuto alle variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche della lente (comprese le variazioni della lunghezza d'onda).
In certe configurazioni dell'ottica, l'immagine della sorgente luminosa pu? non essere riformata come immagine sulla superficie da analizzare ma la cintura del raggio coincider? con detta superficie. In un caso come questo, un piano dell'immagine non si sposter? necessariamente di una quantit? che ? uguale alla variazione della distanza tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice moltiplicata per l'ingrandimento longitudinale. E<1 >pertanto necessario che il movimento del piano dell'immagine in risposta alla variazione della distanza tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice sia determinato per la sezione trasversale di analisi principale e per la sezione trasversale di sub-analisi tenendo in considerazione le caratteristiche del raggio gaussiano .
Nel primo esempio in discussione, la lente cilindrica 2 ? posizionata dietro alla lente collimatrice 21. Se la lente cilindrica 22 si sposta in senso assiale di una piccola quantit?, si ha un piccolo movimento del piano dell'immagine all'interno della sezione trasversale di analisi principale, d'altra parte, la posizione del piano dell'immagine pu? essere spostata all'interno della sezione trasversale di sub-analisi. Pertanto, in aggiunta alla variazione della distanza tra la sorgente luminosa 11 e la lente collimatrice 21, si pu? spostare in modo indipendente la lente cilindrica 22 in direzione assiale in risposta ad una variazione di temperatura e, anche in questo caso, si pu? cancellare efficacemente la variazione dipendente dalla temperatura della posizione del piano dell'immagine sia nella sezione trasversale di analisi principale sia in quella di sub-analisi effettuando una compensazione in termini di sezione trasversale di analisi principale.
Nel primo esempio, si pu? implementare questo approccio con un meccanismo in cui si consente al laser a semiconduttori 11 di spostarsi di 0,21 ??? per 1 grado Celsius rispetto alla lente collimatrice 21 come nel secondo procedimento correttivo ed in cui si consente alla lente cilindrica 22 di spostarsi di 27 ??? verso la sorgente luminosa di 1 grado Celsius. La condizione definita nel paragrafo precedente ? soddisfatta ed il piano dell'immagine pu? essere portato in ogni momento in coincidenza con la superficie da analizzare in termini sia della sezione trasversale di analisi principale sia di quella di sub-analisi. Questo meccanismo ? necessario per analizzatori ottici aventi precisione molto elevata ma ? troppo complicato come struttura e troppo costoso per essere utilizzato su stampanti laser per uso personale e altri apparecchi che non richiedono una precisione cosi elevata. Come gi? citato, lo scopo primario della presente invenzione ? quello di fornire un analizzatore ottico che utilizzi un procedimento a basso costo e semplice per controllare soltanto la variazione della distanza dalla sorgente luminosa alla lente collimatrice e che garantisca tuttavia prestazioni di formazioni di immagini del tutto valide in condizioni di temperatura variabili.
Lo schema strutturale dell'area intorno al laser a semiconduttori 11 ed alla lente collimatrice 21 che ? illustrato in Figura 4 vuole semplicemente illustrare l'invenzione e il suo concetto ? applicabile a qualsiasi struttura che consenta la variazione della distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21 nella maniera sopra specificata in risposta a variazioni di temperatura.
La precedente descrizione del primo esempio ? diretta al caso in cui il piano dell'immagine si sposta in risposta ad una variazione di temperatura di una quantit? maggiore nella sezione trasversale di sub-analisi rispetto a quella nella sezione trasversale di analisi principale; tuttavia, a seconda della configurazione dell'ottica il piano dell'immagine si sposter? di una quantit? maggiore nella sezione trasversale di analisi principale rispetto alla sezione trasversale di sub-analisi. In tal caso, la distanza tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice pu? essere variata in modo tale che il piano dell'immagine si sposti di una quantit? maggiore nella sezione trasversale di analisi principale rispetto a quella della sezione trasversale di sub-analisi.
Come descritto nelle pagine precedenti, il primo aspetto della presente invenzione offre il vantaggio che occorre soltanto scegliere il coefficiente di espansione lineare appropriato per le parti meccaniche interposte tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice alfine di garantire che il movimento del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura si riduca ad un livello all'interno di un campo accettabile in pratica sia per la sezione trasversale di analisi principale sia per quella di sub-analisi. Il "campo accettabile in pratica" dipende dal campo di temperature su cui si deve utilizzare il prodotto e dalla risoluzione richiesta dal prodotto; dal primo esempio, ? stato scelto il valore di circa 6,7 millimetri .
Verr? ora descritto il secondo esempio del primo aspetto dell'invenzione con riferimento alle Figure 5-7; la Figura 5 ? una vista in prospettiva di un analizzatore ottico secondo il secondo esempio; la Figura 6 illustra la sezione trasversale di analisi principale dell'ottica utilizzata nell'analizzatore; e la Figura 7 illustra una sezione trasversale di sub-analisi dell'ottica che comprende l'asse ottico e che ? ortogonale alla sezione trasversale di analisi principale. Come illustrato, un raggio laser emesso dal laser a semiconduttori 11 ? conformato dal passaggio attraverso la lente collimatrice 12 in modo da avere forma tale da fornire una luce leggermente convergente. Il raggio cos? formato viene fatto passare attraverso la lente cilindrica 22 e viene focalizzato in modo da formare un'immagine di linea su una superficie riflettente S6 di uno specchio di lente 41 in una direzione parallela alla direzione di analisi.
Nel secondo esempio, l'apertura numerica della lente collimatrice 12 pu? essere posta ad un valore comparativamente piccolo, e cos? ? progettata come lente pianoconvessa sferica fatta di vetro ottico SFL6. La lente cilindrica 22 ? fatta di BK7. L'unit? a deflettore ? sottoforma di analizzatore a specchio di lente che ? stata gi? proposta dal richiedente nella Pubblicazione della domanda di brevetto giapponese non esaminata (kokai) Hei 6-75162. Lo specchio di lente 41 ? montato sulla parte rotante di un motore 35 di analizzatore (vedere Figura 5) ed ha tre superfici ottiche, la faccia di entrata S5, la faccia di riflessione S6 e la faccia di uscita S7, come illustrato in Figura 6, in modo tale che la deflessione sia effettuata per riflessioni interna dalle superfici S6. La faccia di entrata S5 e la faccia di uscita S7, quando si combinano con la lente di formazione di immagini 81 che verr? descritta pi? avanti, effettuano due funzioni, l'analisi tramite un punto di raggio a velocit? lineare uniforme sulla superficie da analizzare e la formazione di un'immagine planare (per correggere la curvatura de campo e 1'astigmatismo come caratteristiche ottiche) su tale superficie.
L'analizzatore a specchio di lente fornisce tipicamente le migliori caratteristiche ottiche quando il suo asse di rotazione O ? posto sulla faccia riflettente. Pertanto il motore 35 dell'analizzatore pu? avere due unit? di specchio di lente 41 montate in modo tale che la faccia riflettente S6 di un'unit? sia opposta alla S6 dell?altra. Lo specchio di lente 41 che ha questa costruzione pu? essere progettato in modo da avere dimensioni esterne minori rispetto ai comuni specchi poligonali rotanti e, pertanto, ? meno soggetto alla resistenza dell'aria (perdita per resistenza aerodinamica) dovuta alla rotazione. In aggiunta, lo specchio di lente ha un momento di inerzia secondario talmente piccolo da poter ottenere una elevata velocit? di rotazione in breve tempo, riducendo in tal modo il tempo richiesto affinch? l'analizzatore effettui la propria funzione dopo che il motore 35 dell'analizzatore ha cominciato a funzionare.
Elementi ottici aventi forma simile a quella dello specchio di lente 41 possono essere formati di plastica in un unico pezzo e ci? ? preferibile dal punto di vista economico. In aggiunta, a causa della piccola densit? della plastica, lo specchio di lente 41 ha una massa sufficientemente piccola da essere meno soggetto ad effetti di squilibrio dovuti, per esempio, all'errore di posizionamento nell'operazione di montaggio. Come ulteriore vantaggio, il momento di inerzia secondario dello specchio di lente ? piccolo. Si avr? un altro vantaggio se lo specchio di lente ? fabbricato per formatura di plastica per iniezione; sia la faccia di entrata S5 sia la faccia di uscita S7 possono essere previste con forme complesse diverse dalle forme sferica e cilindrica a basso costo e, pertanto, si possono ottenere facilmente prestazioni migliori di formazione di immagini. In alternativa, la faccia S5 e la S7 possono essere cilindriche, e in questo caso, possono essere prodotte per lavorazione in maniera identica alle lenti cilindriche convenzionali e la produzione si realizza ad un costo notevolmente basso anche se si utilizza vetro come materiale iniziale ed ? garantita tuttavia un'elevata precisione superficiale. Il vetro ottico ha l'ulteriore vantaggio che si possono impiegare materiali aventi indici di rifrazione pi? elevati rispetto alla plastica e ci? consente di dotare le superfici cilindriche di raggi di curvatura maggiori, consentendo in tal modo di levigare in una fase un numero maggiore di unit? di specchi di lente e, pertanto, ad un costo ancor maggiore. Se lo si desidera la faccia di uscita S7 pu? essere resa planare oppure la faccia di entrata S5 di forma convessa; questo fornisce una maggiore facilit? di fabbricazione e realizza un?ulteriore riduzione del prezzo unitario di ogni particolare. Tra parentesi, lo specchio di lente 41 utilizzato nell'ottica del secondo esempio ? fatto di SFL6 che viene rettificato per fornire superfici cilindriche.
Con specchi poligonali rotanti comuni, un giro effettua l'analisi per il numero di volte che corrispondono al numero di superfici riflettenti (variabili tipicamente da due a sei). Al contrario, l'analizzatore a specchio di lente utilizza soltanto due unit? di specchio di lente e fornisce un numero inferiore di cicli di analisi al giro. Pertanto, il motore 35 dell'analizzatore deve essere fatto funzionare ad una velocit? corrispondentemente maggiore. Tuttavia, come gi? citato, l'analizzatore a specchio di lente ha un momento di inerzia piccolo ed ? soggetto a perdite per resistenza aerodinamica inferiori ed inferiori effetti di squilibrio e lo svantaggio indicato di realizzare soltanto un piccolo numero di cicli di analisi pu? essere pi? compensato. Lo specchio di lente 41 ? preceduto da un elemento di potere ottico negativo che ? posizionato davanti alla faccia riflettente S6 e, pertanto, la velocit? angolare di deflessione del raggio emesso dalla faccia di uscita S7 tende ad essere rapida vicino al centro del campo di analisi ma lenta nella sua regione periferica. Questa caratteristica ? preferita dal momento che il punto del raggio focalizzato sulla superficie da analizzare si muover? ad una velocit? lineare costante. D'altra parte, il raggio incidente sullo specchio poligonale rotante viene deflesso ad una velocit? angolare .
Il raggio deflesso dallo specchio di lente 41 ? quindi incidente sulla lente di di formazione di immagini 81 come ? illustrato in Figura 6. Come gi? citato, la velocit? angolare del raggio deflesso dallo specchio di lente 41 non ? uniforme ma tende a diminuire verso una delle estremit? del campo di analisi. Pertanto, la lente di formazione di immagini 81 non ha le stesse caratteristiche dell'analizzatore che utilizza uno specchio poligonale rotante comune come deflettore e non ? prevista alcuna azione di fq. Pertanto, la lente di formazione di immagini 81 non deve soddisfare caratteristiche di formazione di immagini sia di fq sia planari a differenza del caso della lente di analisi della tecnica anteriore e l'ampiezza del progetto della lente aumenta di conseguenza.
Quando una pluralit? di superfici di deflessioni vengono fatte ruotare per analizzare un raggio di luce, questo ? in genere il caso in cui l'angolo di inclinazione dall'asse di rotazione ? leggermente diverso da una superficie di deflessione all'altra a causa di parecchi fattori quali gli errori di lavorazione. Pertanto, la linea di analisi che il raggio deflesso attira sulla superficie da analizzare sar? spostata nella direzione di subanalisi secondo la superficie di deflessione utilizzata. Se in questo stato si effettuano la registrazione e la lettura di immagini, si verificano errori nel passo delle linee di analisi, il che ? certamente indesiderabile per una registrazione ed una lettura di immagine precisa. Per evitare questa difficolt?, si pu? progettare l'ottica in modo tale che quando la si vede nella sezione trasversale di sub-analisi, ogni superficie di deflessione e la superficie da analizzare soddisfano un rapporto coniugato in modo ottico oppure assumono uno stato che pu? essere approssimato da tale rapporto e che ? efficace per la correzione dello spostamento angolare del raggio che ? generato nella direzione di sub-analisi tenendo conto dell'errore di inclinazione delle superfici di deflessione.
Nel secondo esempio in discussione, la faccia di entrata S8 della lente di formazione di immagine ? asferica (non arcuata), con coefficienti asferici di ordine elevato, nella sezione trasversale di analisi principale ma ? lineare nella sezione trasversale di sub-analisi. La faccia di uscita S9 della lente di formazione di immagini 81 ? anch'essa asferica (non arcuata) con coefficienti asferici di ordine elevato, nella sezione trasversale di analisi principale, ma ? parte di un arco convesso con la curvatura che varia progressivamente nella sezione trasversale di subanalisi quando la distanza dall'asse ottico aumenta. La curvatura della faccia di uscita S9 nella sezione trasversale di sub-analisi ? definita dalla seguente equazione che indica che la superficie di uscita S9 ? pianoconvessa nella sezione trasversale di sub-analisi, con la superficie convessa diretta verso il piano dell'immagine :
Rx(y) = Rx+Ax y2 Bx y^+ Cx y<6>+Dx y<8>+Ex y<10 >(4) ove:
Rx: raggio parassiale di curvatura nella sezione trasversale di sub-analisi,
y: distanza da un asse ottico, e
Rx(y): raggio di curvatura nella sezione trasversale di sub-analisi a distanza,y.
Rx = -11.0936
Ax = -2.4465<-2>
Bx = 5.5392<?3>
Cx = -8.6276<?>?
Dx = 7.7486<-11>
Ex = -2.7384<-14>
Come gi? evidenziato la lente di formazione di immagini 81 di questa forma ? difficile fabbricare di vetro ed ? fatta di solito di plastica. Nell'esempio in considerazione, la lente di formazione di immagine 81 ? fatta di resine poliolefiniche amorfe come per esempio di "ZEONEX" che ? un marchio della Nippon Zeon Co., Ltd. A confronto con la resina acrilica (PMMA) utilizzata nel primo esempio dell'invenzione gi? descritto la resina poliolef inica amorfa ? soggetta ad una piccola variazione dell'indice di rifrazione o della forma con l'umidit? (a causa dell'assorbimento di umidit?) e, pertanto, ? adatta per essere utilizzata in un'ottica a precisione elevata. I valori specifici della distanza assiale tra le superfici di lente (d), il raggio paraassiale (R) e l'indice di rifrazione (n) per le singole lenti sono elencati nella successiva Tabella 4. Il simbolo x tra parentesi rappresenta il raggio para-assiale nella sezione trasversale di sub-analisi ed il simbolo ? tra parentesi rappresenta il raggio para-assiale della sezione trasversale di analisi principale. La curvatura della faccia di uscita della lente di formazione di immagini 81 nella sezione trasversale di subanalisi varia secondo l'equazione (4).
Tabella 4
E"- L . 008S xlO
Discuteremo ora quanto il piano dell'immagine si sposter? quando la temperatura dell'ottica globale cresce di 1?C nel secondo aspetto del primo aspetto dell'invenzione che ? illustrato nelle Figure 6 e 7. Le variazioni di indice nei rispettivi materiali di lente (dn/dT), le variazioni di indice dovute alla dispersione e alle variazioni di lunghezza d'onda (dn'/dT) e l'espansione della lente (?) apportano quantit? diverse di contributi al movimento del piano dell'immagine e i relativi contributi di questi fattori, cos? come la quantit? di movimento del piano dell'immagine calcolata sommando questi contributi, sono elencati nella successiva Tabella 5 per ciascuna tra le sezioni trasversali di analisi principale e di sub-analisi.
Tabella 5
Movimenti relativi del piano dell'immagine per 1?C nella sezione trasversale di analisi principale Dovuti a Dovuti a Dovuti variazione e variazione all'espansione dispersione di ? dell'indice della lente lente 0.0397 -0.0004 0.0161 collimatrice
lente 0.0102 -0.0001 0.0047 cilindrica
specchio di -0.0015 0 0.0011 lente
lente di 0.0056 0.1107 0.0342 formazione di
immagini
totale 0.2203
Movimenti relativi del piano dell'immagine per 1?C nella sezione trasversale di sub-analisi
I dati in Tabella 5 sono stati ottenuti tramite calcolo ipotizzando che le singole lenti, la sorgente luminosa oppure la superficie da analizzare non cambino la loro posizione anche se la temperatura varia. Si utilizza un segno positivo per indicare la direzione in cui il piano dell'immagine si allontana dalla sorgente luminosa. Come si pu? vedere dalla Tabella 5, il movimento del piano dell'immagine dovuto alla variazione di indice del materiale costituito della lente di formazione di immagini 81 ? maggiore nella sezione trasversale di sub-analisi rispetto a quelli del piano dell'immagine dovuti agli altri fattori. E' chiaro inoltre che gli altri fattori rispetto alla variazione di indice del materiale della lente funzionano in genere in modo da tenere il piano dell'immagine lontano dalla sorgente luminosa.
Ad un esame approfondito della Tabella 5, si pu? vedere che a confronto con i movimenti del piano dell'immagine dovuti alla variazione di indice causata dalla variazione di lunghezza d'onda e dalla dispersione, i movimenti del piano dell'immagine dovuti alla variazione dipendente dalla temperatura dell'indice di rifrazione della lente collimatrice 21 che ? fatta di vetro SFL6 sono molto piccoli. I movimenti del piano dell'immagine dovuti all'espansione della lente sono pari a circa met? e nella stessa direzione rispetto ai movimenti del piano dell'immagine dovuti a variazione di lunghezza d'onda. Come dimostra la Tabella 5, in assenza di qualche mezzo correttivo, il piano dell'immagine si sposterebbe di circa 0,22 millimetri per una crescita di temperatura di 1?C nell'ambito della sezione trasversale di sub-analisi. Data una differenza di temperatura corrispondente al campo di 15?C in cui si deve utilizzare l'analizzatore ottico, il piano dell'immagine si sposterebbe di circa 3,3 millimetri.
Analogamente, data una differenza di temperatura di 15?C, il piano dell'immagine si sposterebbe di circa 0,8 millimetri nell?ambito della sezione trasversale di analisi principale e ci? ? inferiore al movimento nell'ambito della sezione trasversale di sub-analisi. Ci? avviene poich?, come gi? citato, l'ottica utilizzata nel secondo esempio di configurazione e tale che la lente di formazione di immagine 81 che ha un effetto dominante sulle variazioni di temperatura ha un potere maggiore nella sezione trasversale di sub-analisi rispetto a quello nella sezione trasversale di analisi principale .
Come nell'ottica utilizzata nel primo esempio, la variazione della distanza dalla sorgente luminosa (laser a semiconduttori 11) alla lente collimatrice 21 utilizzata nell'ottica del secondo esempio ha pi? influenza sui movimenti del piano dell'immagine rispetto alle variazioni in qualsiasi altra parte. Pertanto, se si scelgono i materiali appropriati per le parti che accoppiano la sorgente luminosa 11 e la lente collimatrice 21, i movimenti del piano dell'immagine dovuti alle variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche possono essere ridotti ad un valore inferiore ai livelli ammissibili senza fornire alcuno meccanismo o unit? di controllo speciale.
Tranne che per la variazione della distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21, i movimenti del piano dell'immagine per 1? Celsius dovuti all'espansione termica delle altre parti quali la base ottica sono notevolmente inferiori alle somme dei movimenti dovuti ai fattori elencati in Tabella 5 e possono essere trascurati con sicurezza per scopi pratici.
Descriveremo specificamente l'applicazione del primo procedimento di correzione ai dati numerici sopra elencati. Il procedimento comprende la variazione della distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21 di una quantit? che cancelli sostanzialmente i movimenti del piano dell'immagine nella sezione trasversale di sub-analisi che avvengono a causa di variazioni di temperatura. La quantit? da determinare ? pari a circa 1,53 ??? per 1 grado Celsius. Si utilizza un segno positivo per indicare la direzione in cui il laser a semiconduttori 11 si allontana dalla lente collimatrice 21. Nel caso che interessa, il piano dell'immagine si sposta di -0,1 millimetri nella sezione trasversale di analisi principale. Cos?, in risposta alla variazione di 1,53 ??? della distanza tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21, il piano dell'immagine si sposta di 0,15 millimetri nella sezione trasversale di analisi principale e di 0,22 millimetri nella sezione trasversale di sub-analisi. Nell'ottica in considerazione, il piano dell'immagine si sposta a causa di variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche di una quantit? maggiore nella sezione trasversale di sub-analisi rispetto a quella nella sezione trasversale di analisi principale e questo ? vero anche per il movimento del piano dell'immagine che ? realizzato variando la distanza tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice. Cos?, la sezione trasversale in cui il piano dell'immagine effettua la quantit? maggiore di movimento dovuta a variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche di una singola lente trarr? beneficio in misura maggiore dallo spostamento della sorgente luminosa rispetto alla lente col limatrice. Allo scopo di garantire che la distanza tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice sia soggetta ad una variazione specifica con la temperatura, si possono scegliere in maniera appropriata la struttura e i materiali costitutivi della parte meccanica rilevante in maniera tale che i movimenti Secondo il terzo procedimento correttivo, il movimento del piano dell'immagine non viene completamente corretto nella sezione trasversale nell'analisi principale oppure in quella di subanalisi e si riducono le quantit? assolute dei movimenti residui. Per esempio, se la distanza dalla sorgente luminosa alla lente collimatrice ? posta da variare di 1,13 ??? (cio? si lascia espandere la lente collimatrice di tale quantit? rispetto alla sorgente luminosa) per un grado Celsius, il piano dell'immagine si sposter? di 0,057 millimetri verso la sorgente luminosa nella sezione trasversale di analisi principale ma lontano da essa nella sezione trasversale di subanalisi.
Nel secondo esempio in discussione tutte le parti interposte tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21 sono fatte di resina di policarbonato con carica del 50% di vetro. Se questa resina ha un coefficiente di espansione lineare pari a circa 1,65x10"^, la distanza dal laser a semiconduttori 11 alla lente collimatrice 21 varier? di circa 0,19 ??? per 1 grado Celsius. Questo ? inferiore a uno qualsiasi dei valori sopra citati nella spiegazione dei procedimenti di del piano dell'immagine dovuti a variazioni di temperatura possono essere tenuti a livelli minimi per l'analizzatore ottico.
In questo primo procedimento di correzione, la distanza dalla sorgente luminosa alla lente collimatrice viene modificata in modo tale che il movimento del piano dell'immagine nella sezione trasversale di sub-analisi dovuto ad una variazione di temperatura sia sostanzialmente cancellato. Secondo il secondo procedimento di correzione, la distanza dalla sorgente luminosa alla lente collimatrice pu? essere regolato di una quantit? tale da cancellare il movimento del piano dell'immagine della sezione trasversale di analisi principale. In questo caso alternativo, si pu? lasciar espandere la lente collimatrice di 0,56 ??? rispetto al laser a semiconduttori per 1 grado di Celsius; ci? ? sufficiente a cancellare sostanzialmente il movimento del piano dell'immagine che avviene nella sezione trasversale di analisi principale a causa di una variazione di temperatura ma d'altra parte il movimento del piano dell'immagine corrispondente 0,14 millimetri rimane non corretto nella sezione trasversale di subanalisi .
correzione dal primo al terzo. Dato questo valore, il piano dell'immagine si sposter? di 0,037 millimetri nella sezione trasversale di analisi principale e di 0,193 millimetri nella sezione trasversale di sub-analisi per 1 grado Celsius; per il campo di temperatura di 15 ?c in cui si deve utilizzare l'analizzatore ottico il movimento aumenter? a circa 0,6 millimetri e 2,9 millimetri. Se il raggio laser ? messo nel secondo esempio forma un punto avente una cintura di raggio di 70 ? m nella sezione trasversale di analisi principale e se si tollera un aumento fino al 30% del diametro del raggio a causa del movimento del piano dell'immagine a temperature variabili, si calcola che il movimento ammissibile del piano dell?immagine sia 4,1 millimetri. Cos?, il movimento del piano dell'immagine che avviene per 1 grado Celsius ? inferiore al valore ammissibile sia nella sezione trasversale di analisi principale sia in quella di sub-analisi. In altre parole, non si ha alcuna necessit? di effettuare correzioni grandi quanto quelle presenti nei procedimenti di correzione dal primo al terzo sopra descritti e si pu? semplificare in modo significativo la costruzione intorno alla lente collimatrice 21.
Come ulteriore vantaggio, tutte le parti che separano il laser a semiconduttori dalla lente collimatrice possono essere fatte dello stesso materiale e, pertanto, non si avr? alcuna distorsione o spostamento di accoppiamento dovuto ad un accoppiamento difettoso di espansione lineare nelle giunzioni delle rispettive parti, rendendo in tal modo possibile fabbricare un analizzatore ottico di elevata affidabilit? operativa. In aggiunta, il coefficiente di espansione lineare di l,65xl0~<5 >? assai vicino a quello dei metallo, e pertanto i supporti del laser a semiconduttori 11 o della lente collimatrice 21 possono essere fatti di metallo e anche questo ? vantaggioso dal punto di vista della dissipazione del calore e della precisione di lavorazione.
Cosi, secondo il primo aspetto dell'invenzione, il movimento del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura pu? essere minimizzato sia nella sezione trasversale di analisi principale sia in quella di sub-analisi. Se l'ottica consente movimenti del tutto liberi del piano dell'immagine, occorre effettuare quantit? di correzioni comparativamente piccole e questo facilita la semplificazione delle costruzione della parte meccanica che ? soggetta alla correzione. La maniera specifica di correzione da effettuare dipende dal campo di applicazione dell'analizzatore ottico e dalla risoluzione che esso richiede. Tuttavia, come gi? citato, la quantit? del quale il movimento del piano dell'immagine che sia a causa di variazioni di temperatura deve essere corretto, pu? essere posta ad un valore desiderato secondo il primo aspetto dell'invenzione; in aggiunta si possono realizzare livelli di correzione pi? elevati sia nella sezione di analisi principale sia in quella di sub-analisi rispetto a quanto ? stato possibile senza basarsi sul primo aspetto dell 'invenzione.
Nel primo e nel secondo esempio del primo aspetto dell'invenzione che sono stati descritti alle pagine precedenti, l'ottica analizzatrice comprende lenti di plastica che sono soggette a variazioni sostanziali dell'indice di rifrazione con la temperatura oppure a variazioni di volume con la temperatura. Tuttavia, anche se l'ottica analizzatrice fosse composta soltanto di lenti di vetro, le sue caratteristiche ottiche varierebbero con la temperatura anche se non tanto quanto nel caso in cui si utilizzano lenti di plastica; pertanto, con un analizzatore ottico che impiega una risoluzione particolarmente elevata, si pu? impiegare lo stesso procedimento descritto in precedenza in modo tale da ridurre il movimento del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura .
In breve, il primo aspetto dell'invenzione ? tale che i movimenti finali del piano dell'immagine siano ridotti a valori piccoli in modo soddisfacente garantendo che il raggio laser che ? incidente sul deflettore o viene emesso dalla lente collimatrice sia modificato con la temperatura in termini delle proprie caratteristiche (ad esempio l'angolo di divergenza) e questo ? in forte contrasto con la tecnica anteriore che vuole garantire che il raggio laser emesso dalla lente collimatrice (o dall'unit? laser) abbia una caratteristica costante a temperature variabili. In aggiunta, la variazione dell?indice di rifrazione dovuta alla variazione di lunghezza d'onda nel laser a semiconduttori, la variazione deell'indice di rifrazione del materiale della lente, l'espansione della lente e la variazione dipendente dalla temperatura della distanza dalla lente o dalla sorgente luminosa sono tutti presi in considerazione nell?effettuare la correzione secondo il primo aspetto dell'invenzione e questo ? un altro punto che distingue l'invenzione da qualsiasi delle tecniche anteriori che effettuano la correzione soltanto sulla base delle caratteristiche sopra citate.
L'analizzatore ottico secondo il primo aspetto dell'invenzione ? adatto ad essere utilizzato su piccole stampanti laser ma questo non ? l'unico caso dell?invenzione ed essa pu? ovviamente applicata ad un apparecchio di lettura di immagini, cos? come a sensori di rilevamento di oggetti e analizzatori di codici a barre.
Descriveremo ora il terzo esempio dell'invenzione che ? relativo al suo secondo aspetto. Utilizzando la Figura 2 che ? una sezione trasversale di analisi principale dell'ottica utilizzata nel primo esempio del primo aspetto e la Figura 2 che ? una sezione trasversale di sub-analisi della stessa ottica che comprende l'asse ottico e che ? ortogonale alla sezione trasversale di analisi principale, discuteremo il rapporto tra la quantit? di curvatura del campo ed il movimento del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura. E'generalmente difficile con analizzatori ottici che il piano dell'immagine coincida con la superficie 81 da analizzare con l'intero campo di analisi. Ci? avviene poich? tra le cinque aberrazioni di Seidel, la curvatura del campo e l'astigmatismo rappresentano il movimento del piano dell'immagine laddove la distorsione genera un errore nella velocit? lineare (errore di fq). La correzione completa di queste aberrazioni ? difficile da realizzare e una certa quantit? di curvatura del campo e di astigmatismo rimarr? nel progetto. Anche se ci? ? possibile a livello progettuale, la curvatura del campo o l'astigmatismo avverranno a causa di errori nella fabbricazione delle lenti o nel montaggio dell'ottica. Ci? significa che gli spostamenti effettivi della superficie da analizzare e del piano dell'immagine comprendono i movimenti del piano dell'immagine dovuti a variazione di temperatura che sono state discusse in precedenza in relazione al primo aspetto dell'invenzione, pi? la suddetta curvatura del campo o il suddetto astigmatismo. Come citato in precedenza, i procedimenti per correggere i movimenti dipendenti dalla temperatura del piano dell'immagine secondo il primo aspetto dell'invenzione non garantiscono necessariamente che questi movimenti del piano dell'immagine possano essere corretti completamente sia nella sezione trasversale di analisi principale sia in quella di sub-analisi. E' pertanto necessario che il movimento ammissibile del piano dell'immagine in ciascuna delle due sezioni trasversali ortogonali sia distribuito in modo proporzionato tra il movimento dovuto alla variazione di temperatura e il movimento dovuto alla curvatura del campo o all'astigmatismo.
La Figura 8 ? un grafico che illustra le curve di aberrazione dovute alla curvatura del campo e all'astigmatismo generate dall'ottica globale utilizzata nel terzo esempio dell'invenzione. Ovviamente, la quantit? di curvatura del campo ? maggiore nella sezione trasversale di analisi principale (indicata da una linea tratteggiata) rispetto alla sezione trasversale di sub-analisi (indicata da una linea continua). Il piano dell'immagine al centro dell'analisi (vicino all'asse ottico) non ha alcuna coincidenza tra la sezione trasversale di analisi principale e quella di sub-analisi. Se necessario, si pu? ottenere la coincidenza regolando la posizione della lente cilindrica 22 nella maniera gi? descritta in precedenza. Tuttavia, la disposizione illustrata in Figura 8 ? intenzionale e l'errore medio nel piano dell'immagine si riduce garantendo che il valore medio della gamma della curvatura di campo nella sezione trasversale di sub-analisi sia portato in sostanziale coincidenza con il valore medio della gamma della curvatura di campo nella sezione trasversale di analisi principale alla temperatura centrale di utilizzo dell'analizzatore.
La quantit? di curvatura del campo ? pari a circa 8.1 millimetri nella sezione trasversale di analisi principale e circa 2 millimetri nella sezione trasversale di sub-analisi. La differenza di circa 6.1 millimetri fornisce una corrispondente tolleranza per il movimento del piano dell?immagine dovuto a variazioni di temperatura nella sezione trasversale di sub-analisi.
Se si consente sostanzialmente lo stesso movimento dello spostamento del piano dell'immagine su ciascuna tra le sezioni trasversali di analisi principale e di sub-analisi nel terzo esempio, una variazione di 0,23 ??? della distanza dal laser a semiconduttori 11 alla lente collimatrice 21 per 1 grado Celsius far? si che il piano dell'immagine si sposti di 0,05 millimetri nella sezione trasversale di analisi principale e di 0,19 millimetri nella sezione trasversale di sub-analisi a causa di una variazione di temperatura di 1?C. Le quantit? di movimento del piano dell'immagine per 15?C che sono il campo in cui si deve utilizzare l'analizzatore ottico sono di 0.75 min nella sezione trasversale di analisi principale e di 2.85 mm nella sezione trasversale di su-analisi. Pertanto, la somma dell'entit? di movimento del piano dell?immagine dovuto a variazione di temperatura e a met? dell'entit? della curvatura di campo menzionata nel paragrafo precedente ? di 4.8 mm nella sezione trasversale di analisi principale e di 4.85 millimetri nella sezione trasversale di sub-analisi . Pertanto la posizione del piano dell'immagine si trover? sostanzialmente all?interno dello stesso campo per le sezioni trasversali di analisi principale e di sub-analisi.
Descriveremo ora il quarto esempio dell'invenzione che ? relativo anch?esso al suo secondo aspetto. Utilizzando la Figura 6 che ? una sezione trasversale di analisi principale dell'ottica utilizzata nel secondo esempio del primo aspetto e la Figura 7 che ? una sezione trasversale di subanalisi della stessa ottica che comprende l'asse ottico e che ? ortogonale alla sezione traversale di analisi principale, discuteremo il rapporto tra la quantit? di curvatura del campo ed il movimento del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura .
La Figura 9 ? un grafico che illustra le curve di aberrazione dovute alla curvatura del campo e all'astigmatismo generate dall'ottica globale utilizzata nel secondo esempio dell'invenzione.
La quantit? di curvatura del campo ? pari a circa a 3,8 millimetri nella sezione trasversale di analisi principale (indicata da una linea tratteggiata) e pari a circa 0,2 millimetri nella sezione trasversale di sub-analisi (indicata da una linea continua). Come nel terzo esempio, la quantit? di curvatura del campo ? maggiore nella sezione trasversale di analisi principale rispetto alla sezione trasversale di sub-analisi. In aggiunta, per la stessa ragione fornita nella descrizione del terzo esempio, il piano dell'immagine al centro dell'analisi (vicino all'asse ottico) non ha alcuna coincidenza tra le sezioni trasversali di analisi principali e di sub-analisi.
Nel quarto esempio in discussione, tutte le parti interposte tra il laser a semiconduttori 11 e la lente collimatrice 21 sono fatte di resina di policarbonato con il 50% di vetro. Se questa resina ha un coefficiente di espansione lineare di circa 1,65x1?<-5>, la distanza dal laser a semiconduttori 11 alla lente collimatrice 21 varier? di circa 0,19 ??? per 1 grado Celsius. Ci? ? inferiore a uno qualsiasi dei valori ottenuti dai procedimenti di correzione dal primo al terzo applicati nel secondo esempio. Dato questo valore, il paino deell 'immagine si sposter? di 0,37 millimetri nella sezione trasversale di analisi principale e di 0,193 millimetri nella sezione trasversale di subanalisi per 1 grado Celsius; per il campo di temperatura di 15 ?C in cui si deve utilizzare l'analizzatore ottico, il movimento aumenter? a circa 0,6 millimetri e 2,9 millimetri, rispettivamente .
Se questi valori sono aggiunti alle quantit? sopra citate di curvatura del campo, i risultati sono circa 2,5 millimetri (3,8/2 0,6) per la sezione trasversale di analisi principale e circa 3 millimetri (0,2/2 2,9) per la sezione trasversale di sub-analisi. Se il raggio laser emesso nel quarto esempio forma un punto avente una cintura di raggio di 70 ??? nella sezione trasversale di analisi principale e se si tollera un aumento fino al 30% del diametro del raggio a causa del movimento del piano dell'immagine a temperature variabili, si calcola che il movimento ammissibile del piano dell'immagine sia 4,1 millimetri. Cos?, il movimento del piano dell'immagine che si ha per 1 grado Celsius ? inferiore al valore ammissibile sia nella sezione trasversale di analisi principale sia in quella di sub-analisi. In altre parole, non si ha alcuna necessit? di effettuare correzioni grandi quanto quelle dei procedimenti di correzione dal primo al terzo sopra descritti e si pu? semplificare significativamente la costruzione intorno alla lente collimatrice 21. Come ulteriore vantaggio, tutte le parti che separano il laser a semiconduttore dalla lente collimatrice possono essere fatte dello stesso materiale e, pertanto, non si avr? alcuna distorsione o spostamento di accoppiamento dovuto ad accoppiamento difettoso di espansione termica alle giunzioni delle rispettive parti, rendendo in tal modo possibile fabbricare un analizzatore ottico di elevata affidabilit? operativa.
In aggiunta, il coefficiente di espansione lineare di 1,65X10"5 ? notevolmente vicino a quello dei metalli, e cos? i supporti del laser a semiconduttori 11 o della lente collimatrice 21 possono essere fatti di metallo e questo fornisce un vantaggio maggiore dai punti di vista della dissipazione del calore e della precisione di lavorazione .
Cos?, secondo il secondo aspetto dell'invenzione, si pu? minimizzare il movimento del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura sia nella sezione trasversale di analisi princiale sia in quella di sub-analisi. Se l'ottica consente movimenti del tutto liberi della lente di formazione di immagini, occorre effettuare quantit? di correzioni comparativamente piccole e ci? facilita la semplificazione della costruzione della parte meccanica che ? sottoposta alla correzione. La maniera specifica della correzione da effettuare dipende dal campo di applicazione dell'analizzatore ottico e dalla risoluzione che esso richiede. Tuttavia, come gi? citato, la quantit? di cui si deve correggere il movimento del piano dell'immagine che avviene a causa di variazioni di temperatura, pu? essere posta ad un valore desiderato secondo il secondo aspetto dell'invenzione; in aggiunta si possono realizzare livelli di correzione pi? elevati sia nella sezione trasversale di analisi principale sia in quella di sub-analisi rispetto a quanto ? stato possibile senza basarsi sul secondo aspetto dell'invenzione. Occorre inoltre aggiungere che con le sue caratteristiche di formazione di immagini, l'ottica utilizzata nel quarto esempio tende a consentire un movimento inferiore del piano dell?immagine ad entrambe le estremit? (nella regione periferica) nel campo di analisi nella sezione trasversale di analisi principale sia quello nell'area vicino all'asse ottico e, come gi? citato, il margine dal livello ammissibile viene posto preferibilmente in modo da risultare maggiore nella sezione trasversale di analisi principale rispetto a quello nella sezione trsversale di sub-analisi.
Nel terzo e nel quarto esempio dell'invenzione che sono stati descritti alle pagine precedenti, l'ottica analizzatrice comprende lenti di plastica che sono soggette a variazioni sostanziali dell'indice di rifrazione con la temperatura oppure a variazioni significative di volume con la temperatura. Tuttavia, anche se l'ottica analizzatrice fosse composta soltanto di lenti di vetro, le caratteristiche ottiche varierebbero con la temperatura anche se non tanto quanto nel caso in cui si utilizzano lenti di plastica; pertanto, con un analizzatore ottico che richiede una risoluzione particolarmente elevata si pu? applicare la stessa tecnica descritta in precedenza in modo tale da ridurre il movimento del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura. Cos?, secondo il secondo aspetto dell'invenzione, una quantit? di movimento maggiore pu? essere tollerata dal piano dell?immagine dovuto a variazioni di temperatura per una qualsiasi delle due sezioni di analisi (sezioni trasversali di analisi principale e di sub-analisi) che sia sottoposta alla quantit? minore di errori di curvatura del campo o di errori astigmatici nel piano dell'immagine che sono inerenti al progetto dell'ottica nell'analizzatore ottico oppure che avvengono a causa di errori di montaggio e di lavorazione. In altre parole, la quantit? di curvatura che ? nel campo che ? tollerata dall?ottica analizzatrice pu? essere aumentata per la <? >sezione trasversale che ? sottoposta al movimento minore del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura e ci? consente la fabbricazione di lenti tramite un procedimento meno costoso ma pi? produttivo. Cos?, facendo un efficiente dello scostamento del piano dell'immagine dalla superficie da analizzare per ciascuna delle due sezioni trasversali ortogonali, si possono garantire formazioni di immagini soddisfacenti per l'intero campo di analisi e a tutte le temperature nel campo di funzionamento senza richiedere una precisione indebitamente elevata per i singoli componenti ottici oppure senza effettuare un montaggio assai preciso e operazioni di regolazione.
Un'altra caratteristica del secondo aspetto dell'invenzione ? tale che i movimenti finali del piano dell'immagine si riducono a valori piccoli in modo soddisfacente garantendo che il raggio laser che ? incidente sul deflettore o viene emesso dalla lente collimatrice sia modificato con la temperatura nei termini delle sue caratteristiche (ad esempio l'angolo di divergenza) e questo ? in forte contrasto con la tecnica anteriore che vuole garantire che il raggio laser emesso dalla lente collimatrice (o dall'unit? laser) abbia una caratteristica costante a temperature variabili. In aggiunta, la variazione dell'indice di rifrazione dovuta alla variazione della lunghezza d'onda di funzionamento del laser a semiconduttori la variazione dell'indice di rifrazione del materiale della lente, l?espansione della lente e la variazione dipendente dalla temperatura della distanza dalla lente o dalla luce o dalla sorgente luminosa sono tutti presi in considerazione nell 'effettuare la correzione secondo il secondo spetto dell'invenzione e questo ? un altro punto che distingue l'invenzione da una qualsiasi delle tecniche anteriori che effettuano la correzione soltanto sulla base di alcune delle caratteristiche sopra citate.
Vantaggi dell invenzione:
come descritto nelle pagine precedenti l'analizzatore ottico secondo il primo aspetto dell'invenzione ? tale che delle due sezioni trasversali di analisi ortogonali dell'ottica analizzatrice (cio? le sezioni trasversali di analisi principale di sub-analisi), quella che comporta il movimento maggiore del piano dell'immagine dovuto alla variazione delle caratteristiche ottiche a temperature variabili sia atto ad essere identico all'altra sezione trasversale che comporta un movimento maggiore del piano dell'immagine dovuto alla variazione della distanza dalla sorgente luminosa ala lente collimatrice. In aggiunta, l'analizzatore ? progettato in modo che la distanza tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice sia modificata in modo appropriato con la temperatura. In questa maniera, il movimento del piano dell'immagine dovuto a variazioni di temperatura risulta ridotto sia nelle sezione trasversale di analisi principale sia in quella di sub-analisi e l'analizzatore ottico che sottoposto ad un minore deterioramento delle prestazioni di formazione delle immagini a temperature variabili pu? essere fabbricato utilizzando una struttura semplice e ad un costo inferiore. Questo offre un beneficio particolarmente elevato all'ottica analizzatrice che impiega lenti in plastica dato che i materiali plastici saranno sottoposti a quantit? maggiori di variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche, specialmente dell'indice di rifrazione, rispetto al vetro.
L'analizzatore ottico secondo il secondo aspetto dell'invenzione risulta parallelo all'analizzatore ottico secondo il primo aspetto per il fatto che delle due sezioni trasversali di analisi ortogonali dell'ottica analizzatrice (cio? le sezioni trasversali di analisi principale e di subanalisi), quella che comporta il movimento maggiore del piano dell'immagine dovuto alle variazioni delle caratteristiche ottiche a temperature variabili ? atta ad essere identica all'altra sezione trasversale che comporta il movimento maggiore del piano dell'immagine dovuto alla variazione della distanza dalla sorgente luminosa alla lente collimatrice. In aggiunta, l'analizzatore ottico ? progettato in modo tale che la distanza tra la sorgente luminosa e la lente collimatrice sia modificata in modo appropriato con la temperatura. In questa maniera, il movimento del piano dell'immagine dovuto alla variazione di temperatura si riduce sia nella sezione trasversale di analisi principale sia in quella di sub-analisi e l'analizzatore ottico che ? sottoposto ad un minore deterioramento delle prestazioni di formazione di immagini a temperature variabili pu? essere fabbricato utilizzando una struttura semplice e a costo inferiore. In pi?, la sezione trasversale di analisi principale o quella di subanalisi che comporta il movimento globale maggiore del piano dell'immagine dopo la correzione delle variazioni di temperatura ? atta ad essere diversa dalla sezione trasversale di sub-analisi o da quella di analisi principale che comporta la quantit? maggiore di curvatura del campo ottico e questo consente la fabbricazione dell'analizzatore ottico che abbia prestazioni di formazioni di immagini globali soddisfacenti. Se il valore medio della curvatura del campo nella sezione trasversale di analisi principale ? portato ad coincidere con il valore medio della curvatura del campo della sezione trasversale di sub-analisi, il margine o tolleranza per il movimento per il paino dell'immagine pu? essere distribuito in quantit? uguali in risposta ad uno spostamento positivo o negativo dal centro del campo operativo di temperatura e questo consente la fabbricazione di un analizzatore ottico che abbia come caratteristica una stabilit? operativa pi? elevata a temperature variabili. Come nel primo aspetto, questo offre un beneficio particolarmente elevato all'ottica analizzatrice che utilizza lenti di plastica dato che i materiali plastici saranno sottoposti a quantit? maggiori di variazioni dipendenti dalla temperature di caratteristiche ottiche, specialmente dell'indice di rifrazione, rispetto al vetro.

Claims (6)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Analizzatore ottico comprendente una sorgente luminosa, una prima ottica con cui un raggio di luce emesso da detta sorgente luminosa viene trasformato in modo da avere caratteristiche specifiche, un deflettore per deflettere il raggio di luce emesso da detta prima ottica, e una seconda ottica con cui il raggio di luce come deflesso da detto deflettore viene focalizzato in modo da formare un'immagine su una predeterminata superficie da analizzare, caratterizzato dal fatto che prendendo in considerazione sia una sezione trasversale di analisi principale che viene spazzata dal raggio di luce come deflesso da detto deflettore ed una sezione trasversale di subanalisi che ? ortogonale a detta sezione trasversale di analisi principale e che comprende gli assi ottici di detta prima e detta seconda ottica, la sezione trasversale in cui il piano dell'immagine effettua la quantit? maggiore di movimento assiale in termini assoluti dovuto alla variazione della distanza da detta sorgente luminosa al primo elemento ottico di detta prima ottica ? identica alla sezione trasversale in cui il piano dell'immagine effettua la quantit? maggiore di movimenti assiale dovuto alle variazioni dipendenti dalla temperatura delle caratteristiche ottiche di detta prima e di detta seconda ottica.
  2. 2. Analizzatore ottico secondo la rivendicazione 1, in cui almeno uno degli elementi ottici di detta seconda ottica ? fatto di materiale plastico.
  3. 3. Analizzatore ottico comprendente una sorgente luminosa, una prima ottica con cui un raggio di luce emesso da detta sorgente luminosa viene trasformato in modo da avere caratteristiche specifiche, un deflettore per deflettere il raggio di luce emesso da detta prima ottica, e detta seconda ottica con cui il raggio di lice come deflesso con detto deflettore viene focalizzato per formare un'immagine su una superficie predeterminata da analizzare, caratterizzato dal fatto che prendendo in considerazione sia una sezione trasversale di analisi principale che viene spazzata dal raggio di luce come deflesso con detto deflettore e una sezione trasversale di sub-analisi che ? ortogonale a detta sezione trasversale di analisi principale e che comprende gli assi ottici di detta prima e di detta seconda ottica, la sezione trasversale in cui il piano dell'immagine effettua la quantit? maggiore di movimento assiale in termini assoluti dovuto ad una variazione di temperatura ? diversa dalla sezione trasversale in cui detta seconda ottica ? sottoposta alla maggior curvatura del campo.
  4. 4. Analizzatore ottico secondo la rivendicazione 3, in cui almeno uno degli elementi ottici di detta seconda ottica ? fatto di materiale plastico.
  5. 5. Analizzatore ottico secondo la rivendicazione 3, in cui la posizione assiale del valore medio attraverso la curvatura del campo di detta seconda ottica in una sezione trasversale di analisi principale ? sostanzialmente coincidente con la posizione assiale del valore medio attraverso la curvatura del campo di detta seconda ottica in una sezione trasversale di sub-analisi.
  6. 6. Analizzatore ottico sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati .
IT96TO000119A 1995-02-23 1996-02-23 Analizzatore ottico IT1285254B1 (it)

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