JP4193950B2 - ラインスキャナまたはラインプリンタ用光学システム - Google Patents

Description

＜発明の要旨＞
本願発明は、一般に、均一幅のラインイメージと本質的に局在的な比較的小さなイメージとの間での変換に際して使用するのに好適な光学システムに関するものであり、特に、ライン印刷光学システムまたはライン走査光学システムに関連する。開示される光学システムは、凹面ミラー、少なくとも１個のシリンダ状光学素子、オプションの開口止め、およびオプションの空間輻射変調器を備えている。印刷およびその他の照射型応用に際して、開示の光学システムは、比較的小さい寸法の輻射源から、均一幅および均一強度のラインイメージを生成するよう機能する。例えば、当該光学システムは、感光性媒体の上に或るイメージの複数のピクセルの連続するラインを印刷するフォトグラフィック・プリンタにおける使用に適合され得る。
シリンダ状光学素子は、シリンダ状レンズまたはシリンダ状ミラーであればよいが、凹面ミラーにより生成される輻射線の平行ビームと光学的整列状態で位置決めされ、平行ビームの少なくとも１個の軸に沿って平行輻射線を収束または集束するよう機能する。空間輻射変調器は光学システムの光学路に沿って配置されればよい。空間輻射変調器は複数のセルを備え、該セルの各々は、輻射阻止状態と輻射透過状態との間で電子的に選択可能である。各セルは、前記２つの状態の間でそのように選択可能なピクセルを画像化し、入射集束された輻射線を選択的に透過させることにより、感光媒体上にイメージを形成する。したがって、感光媒体と光学システムの間で相対運動が生じた場合は、連続する画像化ラインが感光媒体上に投射されて、イメージを作り出す。
【図面の簡単な説明】
本発明の上述およびそれ以外の目的、その多様な特性は、発明自体と同様に、添付の図面と共に読まれれば、以下の説明からより十分に理解され得る。
図１は、本発明による光学システムの第１の実施形態の概略図である。
図２Ａは、放物面ミラーを備えた光学システムの第２の実施形態の概略図である。
図２Ｂは、図２Ａの実施形態の側面図である。
図３は、球面ミラーを備えた光学システムの第３の実施形態の概略図である。
図４は、シュミット・プレートを備えた光学システムの第４の実施形態の概略図である。
図５Ａは、シリンダ状レンズを備えた光学システムの第４の実施形態の概略図である。
図５Ｂは、開口止めおよびオプションとしての第２のシリンダ状レンズを備えた、図５Ａの光学システムの代替の実施形態の側面図である。
＜好適な実施形態の詳細な説明＞
本発明は、光学プリンタまたは光学走査装置のような多様な光学製品内部で利用され得るが、前記応用例は例示であって限定ではないと解釈されるべきである。開示される多様な実施形態は印刷装置における使用に向けられているが、開示される光学システムは走査装置の照射部または検出部における使用にも適合され得ることが当業者には明白である。
図１を参照すると、本発明に従った光学システム10の第１の実施形態が示される。輻射源12は輻射線14を発射し、該輻射線は凹面ミラー16により実質的に平行な輻射線18として反射され、オプションの拡散器19を経由してオプションの空間輻射変調器20に至る。凹面ミラー16は１曲面型ミラー（すなわち、シリンダ状表面）または２曲面型ミラー（すなわち、トロイド状表面）を備えていればよい。本明細書中においては、シリンダ状光学素子は１個の子午面において円錐状断面または非球状断面、および直交する子午面における曲率の無限輻射線を有する、レンズ表面またはミラー表面を備えた光学素子として規定される。好適な実施形態において、輻射線14は、赤外線、可視線、または紫外線のような光学輻射線を含むが、本発明の用途は前記各波長に限定されると解釈されるべきではない。
空間輻射変調器20は、液晶シャッター装置の配列であればよいが、平行輻射線
18を輻射セグメントすなわちピクセルの配列を含むイメージ保有輻射線22に変換するように、外部電子手段（図示せず）により選択的に制御される。イメージ保有輻射線22は、参照番号28で示されるように、感光媒体30のような目標表面上にイメージ保有輻射線22を集束するように機能する光学導体24を介して透過され得る。１実施形態では、光学導体24は漸変指数（graded index, GRIN）ロッド26の配列を備え、各GRINロッド26はイメージ保有輻射線22に存在するピクセルに対応する。
輻射源12は１個以上のモノクローム輻射線発射装置を備えている。好適な実施形態においては、輻射源12は１列以上の、各列あたり３個の発光装置（LED）を備えている。各列には赤色光を発する１個のLED、緑色光を発する１個のLED、および青色光を発する１個のLEDが存在する。代替例として、輻射源12は、カラー・フィルタ・ホイールのような１個以上のフィルター装置と関連する、白色光源のような単一広帯域輻射源であればよい。
凹面ミラー16は、平行輻射線18の拡散を制御し、かつ、イメージ保有光22により生成されるピクセル配列内での重複を最小限にするよう機能する。平行輻射線18の経路は拡散器19と感光媒体30の両方に実質的に直交する。拡散器シート19は、空間輻射モニター20における輻射線のより均一なパターンを生成するよう機能する。
好適な実施形態において、空間輻射変調器20は、感光媒体30にわたる配列に配置される２状態液晶セルの配列を備えている。光学システム10の作動期間中は、各セルは輻射線阻止状態か輻射線透過状態のいずれか一方に置かれる。感光媒体30におけるグレイレベルの形成は、当該技術で周知のように、２状態セルの時間遅延変調により達成可能である。代替例においては、空間輻射変調器20は２状態よりもむしろ多数状態にあるセルを備えていてもよい。本明細書中に開示される光学システムは、本発明による動作を目的とした空間輻射変調器を備えている必要はないことが理解されるべきである。
ここで図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、図中では断面として例示される２曲面型放物面ミラー33、および放物面ミラー33とオプションの空間輻射変調器20との間に配置されるシリンダ状レンズ34を備えた光学システム32が例示されている。シリンダ状レンズ34は、無色材料から形成されるのが好ましいが、シリンダ状レンズ34の光学軸に実質的に平行で、かつ、それに対応して、感光媒体30において生成される画像化輻射線29のラインに平行な軸に沿って平行輻射線18を収束するように機能する。調べてみると、輻射源12から放物面ミラー33の中心までの距離（l₁と示される）は輻射源12から放物面ミラー33の端縁までの距離（l₂と示される）よりも小さいことが分かる。この構成は、グラフ38により示されるように、感光媒体30の端縁において集束イメージ保有輻射線28の減衰を結果として生じる。グラフ38は、感光媒体30に沿った位置の関数として描かれた、放射照度すなわち強度を表す曲線である。
この減衰は、画像化輻射線29の幅（Ｗ₂により示される）が以下の関係により与えられることに留意することにより、定量的に記述することが可能であるが、
Ｗ₂＝Ｗ₁Ｆ_C／Ｆ_P
ここでは図示のように、Ｗ₁は単一輻射線照射装置（LEDのような）の高さであり、Ｆ_Pはミラーの焦点距離であり、Ｆ_Cはシリンダ状レンズの焦点距離である。Ｆ_Pは放物面ミラー33の中心でｌ₁に等しく、放物面ミラー33の端縁でｌ₂に等しい。画像化輻射線29は感光媒体30の直線部分の上で集束される輻射線の直線である。従って、定数Ｗ₁について、画像化輻射線29の幅Ｗ₂は感光媒体30の端縁に向かうにつれて比例的に減少する。シリンダ状レンズ34をシリンダ状ミラーと置換することにより、輻射線の方向の対応する変更を伴って、本発明を実施することも可能であることが当業者によって理解される。
２曲面型球面ミラー42を備えた、図３の光学システム40により、別な実施形態が提供される。光学システム40において、反射輻射線は球面ミラー42からの反射点に依存して角変化を受ける。提供された具体例では、第１のビーム14ａは球面ミラーからミラー横断軸46に関して本質的に平行な角度αで反射され、反射ビームは参照番号44で示される。第２のビーム14ｂは横断軸46に関して本質的に収束する角度βで反射し、反射ビームは参照番号50で示される。角αはほぼ90度なので、反射された輻射線44はシリンダ状レンズ34およびオプションの空間輻射変調器20を通過して、意図した位置からわずかだけオフセットした位置で感光媒体30に衝突する。反射ビーム50は類似した経路を辿ってシリンダ状レンズ34およびオプションの空間輻射変調器20を通過するが、より大きい角βのせいで、感光媒体30における意図した位置から実質的にオフセットされる。
ここで図４を参照すると、シュミット・プレートのような薄い非球面修正器プレート60を備えた光学システム70が示されるが、反射ビーム44および50はシリンダ状レンズ34による収束より先に、該プレートを通過する。提供された具体例では、修正器プレート60は平坦表面61および修正表面63を備え、この場合、修正表面63は修正器プレート60の中心でわずかに凸状をなし、その端縁でわずかに凹状をなす。関連技術で周知のように、修正器プレート60は、球面ミラー42に入射する輻射線ビーム14ａおよび14ｂの光学路を変形させてイメージを無限大で形成することにより、球面ミラー42の球状光ライン差を相殺するよう機能する。通常は、修正器プレート60は球面ミラー42の湾曲の中心に置かれる。本応用例において、修正器プレート60は、Ｗ₁が比較的小さい寸法なので、図示のように、球面ミラー42に近接して置くことができる。
反射ビーム44および50は、従って、修正器プレート60により実質的に平行なビーム64および62それぞれに変換される。シリンダ状レンズ34は空間輻射変調器20を介して平行ビーム62および64を収束し、上述のように、最小光ライン差で感光媒体30上に線29（図示せず）を形成する。光学システム70の効率が図１の光学システム10の効率よりも高いと判定されている。
本発明による光学システム80の好適な実施形態が図５Ａに示されている。光学システム80は凹面ミラー82および弧面レンズ72、または代替例としてシリンダ状レンズ34（図５Ａには示されていない）を備え、該レンズは感光媒体30上にイメージライン74を集束するのに使用される。弧面レンズ72は図面中に例示する平面においてシリンダ状レンズ34（図４を参照のこと）を曲げることにより形成され得る。代替例として、曲げられたシリンダ状ミラー（図示せず）は弧面レンズ72の代わりに使用され得る。弧面レンズ72は、円錐断面部または非球面断面部を有する無色材料を備えていることが好ましいが、このようにして形成されるラインイメージが感光媒体30の照射直線部にわたり集束されることを確実にすることにより、感光媒体30における焦点面に形成される画像化輻射線を修正するように機能する。
図５Ａの光学システム80は、イメージライン74の幅（Ｗ₂）を一定寸法に維持するように構成される。この一定幅は、弧面レンズ72により輻射線14を部分的に平行な輻射線15にまず変換する工程により維持され、この場合、部分的に平行な輻射線15は凹面ミラー82から反射される。この実施形態において、凹面ミラー82は、球面ミラー、放物面ミラー、または楕円面ミラーのような２曲面型ミラー（図面中では断面部が示される）を含む。平行輻射線18は弧面レンズ72およびオプションの空間輻射変調器20を通過して、上述のように、感光媒体30上にイメージライン74を形成する。
図５Ｂに示される代替の実施形態において、光学システム80’は１曲面型シリンダ状ミラー82’を備え、輻射線14は、介在する光学系を最初に通過することなく、シリンダ状ミラー82’の表面上に投射される。また別な代替の実施形態においては、ミラー82’は凸面ミラー（図示せず）を備え、また、ソース・シリンダ状レンズ84は輻射源12と凸面ミラー82’との間に配置される。この実施形態において、輻射線14は、図５Ａにおいて弧面レンズ72を通過させることにより輻射線14が修正されるのと同じ態様で、ソース・シリンダ状レンズ84によりわずかに平行にされる。光学システム80と光学システム80’の両方は、弧面レンズ72と感光媒体30との間に配置される開口止め86（明瞭にするために図５Ｂにのみ示される）を更に備えていてもよい。開口止め86はイメージライン74を形成する輻射線の収束角を規定するよう機能する。当業者には理解され得ることだが、開口止め86は、それ以外に、光学システム80および80’の光学路に沿って置かれてもよい。
上記光学システムのいずれのものも、輻射源12を検出器装置と置換し、目標表面を走査されるべき照射表面と置換することにより、走査装置の検出部における使用に適合され得る。スキャナーの応用例では、印刷または照射のような応用例に存在する方向と反対方向で輻射線が伝搬する。
本発明は、その精神すなわち本質的特性から逸脱することなく他の特定の様式で具体化されてもよい。それ故、本実施形態は、あらゆる点で、例示であって限定ではなく、本発明の範囲は前記説明によってよりはむしろ添付の請求の範囲により示されると解釈されるべきであり、それ故、各請求項の均等物の意味およびその範囲に含まれる変更は全て、本発明に包含されることが意図される。

Claims (15)

1. 比較的小さい輻射源を目標表面（３０）における輻射線（７４）の均一ラインに変換する光学システム（８０）であって、
   輻射線（１８）の実質的に平行なビームが生成されるように、輻射源（１２）と光学的整列する凹面ミラー（８２）と、
   輻射線（１８）の実質的に平行なビームと光学的整列し、目標表面（３０）上に輻射線（１８）の前記平行ビームを方向付けして集束させるシリンダ状光学素子（７２）と、
   非球面修正器プレートと
   を備えた、光学システム（８０）。
2. 前記シリンダ状光学素子（７２）と目標表面（３０）との間に配置された空間輻射変調器（２０）を更に備え、前記空間輻射変調器（２０）は、イメージが目標表面（３０）で形成されるように、輻射線阻止状態と輻射線透過状態との間で電子的に選択可能である、請求項１に記載の光学システム（８０）。
3. 前記凹面ミラー（８２）が球面ミラーを備えている、請求項１または請求項２に記載の光学システム（８０）。
4. 前記凹面ミラー（８２）が放物面ミラーを備えている、請求項１または請求項２に記載の光学システム。
5. 前記シリンダ状光学素子（７２）がシリンダ状レンズを備えている、請求項１または請求項２に記載の光学システム。
6. 前記シリンダ状光学素子（７２）がシリンダ状ミラーを備えている、請求項１または請求項２に記載の光学システム。
7. 前記修正器プレートがシュミット・プレートを備えている、請求項１に記載の光学システム。
8. 感光媒体（３０）上にイメージの空間的に連続するラインを印刷するフォトグラフィック・プリンタにおける使用に好適な光学システム（８０）であって、
   輻射線（１４）のビームを投射する輻射源（１２）手段と、
   実質的に平行な輻射線（１８）として輻射線の前記ビームを反射する凹面ミラー（８２）と、
   感光媒体（３０）上に前記平行輻射線（１８）を受けかつ集束するシリンダ状光学素子と、
   非球面修正器プレートと
   を備えた、光学システム（８０）。
9. 前記輻射源（１２）が少なくとも１個の発光ダイオードを備えている、請求項８に記載の光学システム（８０）。
10. 前記シリンダ状レンズ（７２）と感光媒体（３０）との間に配置される空間輻射変調器（２０）を更に備え、イメージが感光媒体（３０）に形成されるように、前記空間輻射変調器（２０）は輻射線阻止状態と輻射線透過状熊との間で電子的に選択可能である、請求項８または請求項９に記載の光学システム（８０）。
11. 前記凹面ミラー（８２）が球面ミラーを備えている、請求項８または請求項９に記載の光学システム（８０）。
12. 前記凹面ミラー（８２）が放物面ミラーを備えている、請求項８または請求項９に記載の光学システム。
13. 前記シリンダ状光学素子（７２）はシリンダ状レンズを備えている、請求項８または請求項９に記載の光学システム。
14. 前記シリンダ状光学素子（７２）はシリンダ状ミラーを備えている、請求項８または請求項９に記載の光学システム。
15. 前記修正器プレートがシュミット・プレートを備えている、請求項８に記載の光学システム。

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