JPH03501537A - 光学スキャナー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学スキャナ一 本発明は光学スキャナーに関し、特に、高解像度のレーザースキャナーに特に適 した光学スキャナーに関する。

１／−ザープリンタに使用する型式の光学スキャナーは一般に、記録媒体を横切 って光線を走査するために使用する回転ポリゴン即ち回転多面鏡を有する。この ようなスキャナーに使用する光学素子は、光線の曵好な焦点を得るための平坦な 接線方向の場（ｔａＢｅｎｔｉａｌ　Ｈｅ１ｄ）を形成すると共に、いわゆる角 錐（ピラミッド）誤差、即ち多面鏡の複数の面の角度的な不整合に起因する横断 走査方向（走査方向に対して直角な方向）における光点（スポット）位置の誤差 を修正するように設計されている。

また、光学素子は、比較的直線状の走査ラインを提供し、ｆ−θゆがみ状態を修 正するものでなければならない。スキャナー内の記録媒体は写真フィルムや、ゼ ログラフィツクドラムの如き感光性媒体等である。

米国特許第４，２４７，１６０号明細書には、多面鏡と感光性表面との間に位置 した凹状の円筒鏡を有するレーザービームスキャナーが開示されている。横断走 査方向には正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）のパワーを有するが走査方向にはパワー（ｐ ｏｖｅｒ）を有さない凹状円筒鏡は、角錐誤差を最小限に抑える。横断走査平面 においてパワーを有する負（ｎｅｇａｔｉｖｅ）の屈折円柱１／ンズを円筒鏡と 多面鏡との間に配置して、残存する横断走査場の曲率を補償する。

正のレンズを円筒鏡と多面鏡との間に配置して、光線を合焦させ、平坦な接線場 を生じさせる。

米国特許第４，５１２，６２５号明細書には、角錐誤差を補償するために凹状円 筒鏡を使用するようなレンズ構造が開示されている。２つのレンズ素子を円筒鏡 と回転する多面鏡どの間で使用する。一方のレンズ素子は負の球面パワーを有し 、他方のレンズ素子は前表面で横断走査方向に負の円筒パワーを有し、かつ後表 面で正の球面パワーを有する。この米国特許明細書及び上記米国特許第４，２４ ７，１６０号明細書に開示されたレンズ構造の問題点の１つは、例えばハーフト ナー像の形成の如きある種の応用にとって、レンズ構造により得られる解像度が 十分に高くないということである。

本発明の目的は、上述の従来技術の問題点を解決し、改良した光学スキャナーを 提供することである。

本発明によれば、光源から発生した光線を記録媒体上で走査するための光学スキ ャナーが提供され、このスキャナーは、所定の角度にわたって光線を走査するた めの偏向手段と、この偏向手段と記録媒体との間に設定された光学手段とを備え 、光学手段は、２つの球面を有する第２レンズ素子と、互いに直行する方向に向 いた２つの円筒表面を有する第２レンズ素子と、円筒鏡とを具備する。

本発明の望ましい実施例においては、所定の角度にわたって光線を偏向させるた めに回転多面鏡を使用し、この多面鏡と記録媒体との間に凹状の円筒鏡を配置す る。２つの屈折走査レンズ素子は、多面鏡ど円筒鏡との間で光学経路内に配置さ れている。一方のレンズ素子は２つの球面を有し、他方の１／ンズ素子は直交す る円筒表面を有する。ダイオードレーザ−の如き光源からの入力光線は光線成形 光学系を通過し、回転多面鏡へ導かれる。多面鏡で反射された後、光線は２つの 屈折走査レンズ素子を通過し、次いで平面鏡により円筒鏡へ導かれる。円筒鏡は 光線を記録媒体上へ導く。

本発明の光学スキャナーの利点は、極めて高い解像度の画像を形成できることで ある。このスキャナーは極めて平坦な接線場を有し、１／−ザー光線は、良質の ハーフトナー画像を得るに適したスキャナーを提供するため、走査方向及び横断 走査方向において、記録媒体に対して十分に小さな寸法を有する。

以下、本発明の光学スキャナーの斜視図を示す添付図面について本発明の詳細な 説明する。

添付図面には、本発明の光学スキャナー１０を示す。スキャナー１０は、光源と して作用するダイオードレーザ−１２、光線拡張手段１６、光線成形装置１８、 回転多面鏡２０．及び多面鏡２０と記録媒体２４との間に位置した光学系２２を 有する。

光線成形装置１８は球面１／ンズ１７ど、正の円柱面レンズ１９と、負の円筒面 レンズ２７と、レンズ１９，２７間に位置した平面鏡２５とを有する。光学系２ ２は光学軸線２３に沿って位置し、２つの屈折走査レンズ素子３０．３２と、円 筒鏡３４とを有する。光学系２２は光線を折り曲げるためレンズ素子３２と鏡３ ４との間に位置した平面鏡３６をも有する。

レンズ素子３０は２つの球面４０，４２を有する厚手のメニスカスレンズである 。球面４Ｇは負のパワーを有し、球面４２は正のパワーを有する。素子３０の全 体の光学パワーは極めて僅かな程度だけ正である。１／ンズ素子３２は２つの円 筒面４６．４８を有し、これらの円筒面を含む円筒の中心軸線（図示せず）は互 いに直交している。これら両方の中心軸線は第１１／ンズ素子３０により画定さ れた光学軸線２３に対しても直交している。

レンズ素子３２の円筒面４６は走査方向において正の円筒パワーを有する。素子 ３２の円筒面４８は横断走査方向において負の円筒パワーを有する。従って、レ ンズ素子３２のパワーは走査方向において正であり、横断走査方向において負で ある。円筒鏡３４は横断走査方向において正の円筒パワーを有し、この円筒鏡の 軸線は光学軸線に直交している。

ダイオードレーザ−１２は赤外レーザー光線５ｏを発生させ、この光線は、多面 鏡２０へ導入される前に、光線成形装置１８によりアナモフィック成形（シェー ビング）される。横断走査方向において、光線５０は多面鏡の面２１の近傍でウ ェストフォーカス（ｖｉｉｓｌ　ｆｏｃｕｓ）する。走査方向において、光線５ ｏは、多面鏡２０を約７２０ｍｍ越えて位置したウェスト７オーカス位置の方へ 収れんする。従って、走査方向においては、多面鏡２０での入力光線はコリメー トされておらず、正の７エルゲンツ（ｖｅｒｇｅｍｅｅ）を呈する。多面鏡２ｏ で反射され２つのレンズ素子３０，３２を通過した後の光線５ｏは円筒鏡３４で 再度反射され、記録媒体２４で又はその近傍でウェストフォーカスする。

走査方向においては、ウェストフォーカス位置は１３インチ（約３３０ｍｍ）を 越える全体のライン長にわたる記録媒体２４から±０．１３ｍｍの範囲内にとど まる。その結果、ｅｘｐ（−２）乗の地点に対して約０．０１２ｍｍの公称値で ある計算した光線半径は走査方向において５％以下で寸法が変化する。横断走査 方向においては、ウェストフォーカス位置は記録媒体２４から±０．３５ｍｍの 範囲内にとどまり、約０．０１５ｍｍの公称値である光線半径はこの横断走査方 向に１０％以下で寸法変化する。記録媒体２４でのレーザー光線５０のこの特性 のため、非常に高い解像度での走査を遂行することができる。

光学スキャナー１０により得られる解像度は、例えば１インチ（約２５．４ｍｍ ）当り１５０ドツトを有するスクリーン（図示せず）を使用することにより形成 されるようなハーフトナー画像をつくるｔ；めに使用できるようなものである。

これらの等間隔のドツトの寸法は小さな領域における画像の見掛けの暗度（黒色 度）を決定する。各ドツトは１２Ｘ１２の正方形アレイの小画素から成り、実際 、走査方向及び横断走査方向において１インチ（約２ｓ、４ｍｍ）ｍす１Ｂ００ 個の小画素を有するものを使用した。各ラインを描く場合のレーザー光線５０の パワーレベルを制御することにより、これらの小画素を選択的に付勢状態又は去 勢状態に切り換え、各ドツトの見掛けの寸法を変える。本発明により提供される レーザー光線の光点の寸法はその使用目的に応じて決める。

光学スキャナー１０は光学装置に対する多面鏡２０の個々の面２１上での角錐（ ピラミッド）角度誤差の影響を最小化する。

スキャナー１０においては、多面鏡の反射面２１を記録媒体２４に対して光学的 に共役にすることにより、角錐角度誤差の効果に打ち勝つ。角錐角度誤差は横断 走査方向において反射光線を逸らせる。これにより、記録媒体２４における走査 光点が横断走査方向に変位し、画像を描＜Ｉ；めにスキャナーを使用した場合に バンディングとして知られる現象を生じさせる。（画像の読取りにおいては、横 断走査方向における変位誤差はさして重要でない。） 多面鏡２０は既知の構成方法を使用して構成できるを式のもので、その面での角 錐角度誤差は±３０アーク秒より小さい。

隣接する走査ライン間の横断方向における走査ライン隔離誤差の量における公差 は多面鏡の面の合計数に一部依存し、仮定しｔ；視距離に一部依存する。本発明 においては、８つの面２１を有する多面鏡２０を使用でき、６インチ（約１５２ ．４ｍｍ）より小さくない視距離を仮定できる。このような多面鏡及び視距離を 使用すると、平均ラインピッチの１．６％の横断方向における走査ライン隔離公 差が得られる。１インチ（約２５．４ｍｍ）当り１８００個のラインがあると仮 定すれば、この公差は０．２２マイクロメートルとなる。後に示すが、光学スキ ャナー１０はこの公差の範囲内で機能する。

光学スキャナー１０はｆ−θ状態に対する修正を行うように構成されている。理 想的には、記録媒体２４上に形成された像の高さＨは走査角度θに正比例し、式 ）（−ｆθで表すことができる。ここに、ｆは走査光学装置の焦点距離に等しい 定数であり、θの単位はラジアンである。また、光点の直線速度は多面鏡２０の 回転速度に正比例すべきである。

ｖ−ｄｈ／ｄｔ＝ｆ　ｄθ／ｄｔ−２ｆＯここに、Ωは多面鏡の回転速度（ラジ アン／秒）である。

ｆ−θ状態からの逸れは画像内に幾何学的な歪みを生じさせ、光点の速度を変化 させる。光点の速度が変化すると、記録媒体２４でのエネルギ密度即ち露光量に 変化を生じさせ、小画素の場合には、オン状態とオフ状態との間に差を生じさせ る。光学スキャナー１０は１％以下の幾何学的な歪み及び２．５％以下の光点速 度の変化を生じさせることが判った。これは卓越した性能であると考えられる。

光学系２２内の素子の詳細は次の表Ｉに示す。

表工 表面　曲率　厚み　ガラス　８３０ｍｍでの（ｍｍ−’）　（誼ｍ）　インデッ クス多面鏡　０．０　４０ ４０　−．００６５５９Ｂ３　４１．６２０　Ｎ５．２８５　１．７６３００４ ２　−．００６６９４７８　４６．Ｈ８（Ｙ方向）　０．００２０７３９１　Ｈ ，８４７５１７，６４２１，５１０２１（Ｘ方向）　０．０ （Ｙ方向）　０．Ｇ　１５９．２００ （Ｘ方向）０．００４６０３３ （Ｙ方向）　０．０　１５０．７５２（反射）（Ｘ方向）　−、Ｈ４９７！ｌフ も 画像　０．０　０．０ （注）１．多面鏡は８つの面を有し、平面間の直径（距離）は１２０ｍｍである 。

２、第１図に示す平面鏡３６は表Ｉには含まれていない。

３、表面３５は反射円筒鏡であり、光学軸線に対して１６．７８６°傾斜してい る。

４、記録媒体は画像表面に位置している。

本発明の代表的な例においては、レーザー光線５０は８３０ｎｍの波長を有する 。走査角度θがゼロであると仮定すると、入射レーザー光線は多面鏡の面２１の 中心の方へ向き、光学軸線２３に対して６０ｃ′の角度を形成する。多面鏡の面 ２１での反射の後、光線は光学軸線２３に沿って進行する。

入射光線５０はＹ−Ｚ　（走査）平面内に位置する。光線５０が面２１と交差す る地点における光線のパラメータは次の通りである。

Ｙ（走査）方向において： 光線のｅｘｐ（−２）半径−７−７１３４ｍｍ波先の曲率半径＝７２０ｍｍ （即ち、収れん光線） 光線はコリメータレンズ１６でのｅｘｐ（−２）乗地点で截頭されている。

Ｘ（交差走査）方向において： 光線のｅｘｐ（−２）半径＝０．０３０６ｍｍ波先の曲率半径−−１２，３４２ ｍｍ 光線は多面鏡２０の手前０．９４ｍｍに位置したウェストフォーカス位置から発 散（末広がり）している。光線は截頭されていない。

走査角度θがゼロであると仮定した場合の記録媒体２４でのレーザー光線５０の 詳細は次の通りである。

Ｙ（走査）方向において： 光線のｅｘｐ（−２）半径−０，０１１９ｍｍ（截頭効果を排除する。） 波光の曲率半径−無限（即ち、光線のウェストフォーカス位置） Ｘ（交差走査）方向において： 光線のｅｘｐ（−２）半径−０，０１５３ｍｍ波先の曲率半径−−２，８６６４ ｍｍ 光線は多面鏡２０の手前０．２５ｒｏｍに位置したウェストフォーカス位置から 発散している。

次の表■は光学系のパラメータの詳細を示す。

表■ 走査　角雉誤差に対する　画像平面内での　光線ウェスト位置角度　横断走査画 像誤差　ｅｘｐ（−２）光点半径に対する画像歪み（度）　＋３０ＡＳ　−３０ ＡＳ　Ｘ方向Ｙ方向　Ｘ方向　Ｙ方向（ｍｍ）　（ｍｍ）（ｍ、ｍ）（ｍｍ）（ ｍｍ）（ｍｍ）１３　−０．００００８３　０．００００９３　０．０１５１　 ０．ＯＨ２０，３４３４−，０Ｎ５１．４　−０．０００＋１３７　０−０００ ０４７　１）、０１４６　０．０１２２　−．０２０２　−．０８５４５　１１ ．０　０．００００＋１　０．０１５１　０．１）１１９　−、ＨｌＯ−０Ｏ１ ５２００，１）００００６　０．ＱＯＯＯ１１６０，０１５３０，０１１９−， ２５ＨＯ，０−４０，０００００２０，００００１００，０１５２０，０１１９ −、！３０　−、ｆ１０１１３−Ｈ−，００００２６０゜００００４０　０．０ 口６０．１ｌＨＤ　−，０８２Ｂ　−，０３６０−２２−，００００４８０，Ｈ Ｏ８６３０，０目６０．０ＩＮ　Ｏ，１３７５ＬＯ６０Ｓ−２７，２−，０ＯＨ ＩＢ　０．００００３Ｈｌ）、０１４９０．ＯＮＳ　ＬＨ＋９　０．Ｈ２Ｓ−３ １０゜ｆｌｏｏ０５２　−．００００３３　０．０１４７０．０＋２１　０．２ 目７　０．０４１６ｔ；だし、上記表■においてＡＳはアーク秒である。

表■から判るように、横断走査方向における最悪の誤差は２３″の走査角度にお いて生じ、この場合、多面鏡の面２１が一方向に３０ア一ク秒傾斜し次の面２１ が反対方向に３０ア一ク秒傾斜したときに、Ｏ，ＯＯＯ１７６ｍｒｎのライン間 隔における逸れが生じる。この値は、バンディングを阻止するに必要な０．００ ０２２ｍｍの必要公差内の値である。また、Ｙ方向における画像平面からの光線 ウェストフォーカス位置の焦点誤差は０．１３ｍｍより少ないことが判る。これ は、本発明の光学スキャナーにより提供される接線場が著しく平坦であることを 示す。Ｘ方向において、画像平面に関する光線のウェストフォーカス位置は、走 査角度θ−０において、−０，２５ｍｍの地点に位置している。走査角度θの正 及び負の値に対して、光線のウェストフォーカス位置はプラス（正）方向に移動 する。これは、可動な光学素子を導入しなければ緩和することができない効果で あり、多面鏡が回転したときに多面鏡の反射面２１も光学軸線に沿って動くとい う事実に由来する。

上述のように、本発明の重要な特徴はスキャナー１０内に極めて平坦な場が得ら れることである。スキャナー１０内に平坦な場を提供するのに寄与する一つの要 因は走査角度θを光学軸線２３に対して非対称的にすることである。光学スキャ ナーなる名称の上記米国特許明細書には、光学軸線に対して対称的な走査角度を 有するスキャナーが開示されている。このスキャナーにおいては、多面鏡の反射 面の後縁から光線が漏れるのを阻止するため、θ−Ｏの走査角度に向いたときに 、多面鏡の回転中心は反射面に平行な方向において光学軸線から小距離だけ変位 する。これに反し、本発明においては、このような変位は生じない。実際、走査 角度は非対称にせしめられる。走査角度θは、３３０．３ｍｍ即ち約１３インチ の公称長さを有するライン像を走査するため、−３１°から＋２３°までの５４ ’の角度範囲内で変化する。走査期間中、多面鏡２０は２７°の角度にわたって 回転する。多面鏡２０において、各８つの反射面２１は４５°の角度に相当する 弦に沿って位置し、従って多面鏡のデユーティファクター即ち使用率は０．６で ある。

国際調査報告 ＩＪｓ　８９０４０５３ ＳＡ　３１３００

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光源により発生した光線を記録媒体上で走査するための光学スキャナーにお いて、 所定の角度にわたって光線を走査させるための偏向手段（２０）；及び 前記偏向手段（２０）と記録媒体（２４）との間に位置し、２つの球面（４０、 ４２）を有する第１レンズ素子（３０）と、互いに百行する２つの円筒面（４６ 、４８）を有する第２レンズ素子（３２）と、光学軸線（２３）に沿って位置し た円筒鏡（３４）とを備えた光学手段； を有する光学スキャナー。 ２．請求の範囲第１項に記載の光学スキャナーにおいて、前記偏向手段が回転軸 のまわりで回転できる多面鏡を有する光学スキャナー。 ３．請求の範囲第１項に記載の光学スキャナーにおいて、前記偏向手段への入力 光線（５０）が走査方向に収れんしている光学スキャナー。 ４．請求の範囲第１項に記載の光学スキャナーにおいて、前記第２レンズ素子（ ３２）と前記円筒鏡（３４）との間に平面鏡（３６）を配置した光学スキャナー 。 ５．請求の範囲第１項に記載の光学スキャナーにおいて、前記光線（５０）がハ ーフトナー稼を形成するに適した寸法の記録媒体（２４）における光点寸法を有 する光学スキャナー。 ６．光源により発生した光線を記録媒体上で走査するための光学スキャナーにお いて、 光学軸線（２３）に沿って位置し、前記光源（１２）と前記記録媒体（２４）と の間に設定した光学手段（２２）；及び所定の角度にわたって前記光線を走をさ せるための偏向手段（２０）であって、該角度の半分以上の部分が前記光学軸線 （２３）の一側に存在するように該光学軸線（２３）に関して位置している偏向 手段； を備えた光学スキャナー。 ７．請求の範囲第６項に記載の光学スキャナーにおいて、前記角度を約４５°と した光学スキャナー。 ８．請求の範囲第７項に記載の光学スキャナーにおいて、前記偏向手段（２０） が、前記光学軸線（２３）の一側では約３１°の角度にわたって走査され、同光 学軸線の反対側では約２３°の角度にわたって走査される光学スキャナー。