DE2834085A1 - Optisches abtastsystem - Google Patents

Description

<ητ* η IA Patentanwälte:

IEDTKE - DÜHLING - IVlNNE Dipi.-Ing. H.Tiedtke

Gl-I DipL-Cnem. G, Buhling

RUPE - Γ ELLMANN Dipl.-Ing. R. Kinne

2834085 Dipl.-Ing. P. Grupe

Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 0 89-539653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

3. August 1978

B 9126/Canon case CFO 1580-GP 715

Canon Kabushiki Kaisha, Tokyo, Japan

Optisches Abtastsystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abtastsystem und insbesondere auf ein optisches Abtastsystem mit einem optischen System für die Korrektur von Fehlern, die durch eine Neigung einer Ablenkfläche verursacht werden. ·

Bei einem Abtastsystem, bei dem eine um eine Achse drehende Ablenkspiegelfläche wie beispielsweise eine solche eines Polygonalspiegels oder eines Galvanometerspiegels verwendet wird, kann eine unerwünschte Erscheinung in der Weise auftreten, daß die Ablenkspiegelfläche in Richtung senkrecht zur Ablenkungsebene so geneigt ist, daß ein Lagefehler bei der Ablenkung entsteht. Ein derartiger Fehler ist als Neigungsfehler bekannt. Wenn ein derartiger Fehler auftritt, wird die Ablenkungs-Abtastung in Richtung senkrecht zur Ablenkungsebene verschwenkt, so daß die Gleichförmigkeit der

vi: /so 90 S8 07/0 97 6

Deutsche Bank (München) KtO- 11/61070 Dresdner Bank (München) KIo. 393984-1 Poslsche- l· lUni-.licn, '-Ό 670-43-804

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Steigung bzw. Teilung von Abtastzeilen gestört sein kann. Daher sollte diese Erscheinung korrigiert werden. Zu diesem Korrekturzweck verwendete optische Systeme werden optische Neigungsfehler-Korrektursysterne genannt. Hierbei ist mit dem Ausdruck "Ablenkungsebene" eine Ebene gemeint, die eine Senkrechte zu der Ablenkspiegelfläche während des Drehens des Ablenkspiegels beschreibt.

Es sind unterschiedliche optische Abtastsysteme vorgeschlagen worden und bekannt, die mit einem optischen Neigungsfehler-Korrektursystem versehen sind. Hinsichtlich des optischen Zusammenhangs zwischen der Ablenkspiegelfläche und der abgetasteten bzw. Abtastfläche werden die bekannten optischen Abtastsysteme in zwei Gruppen aufgeteilt, nämlich in konjugierte Abtastsysteme und in nichtkonjugierte Abtastsysteme.

Ein konjugiertes Abtastsystem weist als Merkmal auf, daß die Ablenkspiegelfläche und die Abtastfläche zueinander in bezug auf das optische System konjugiert sind, das zwischen sie zur Korrektur eines Neigungsfehlers in einer Ebene senkrecht zu der vorstehend definierten Ablenkungsebene gesetzt ist. Typische Beispiele von Abtastsystemen dieser Art sind in den US-Patöntschriften 3 750 189, 3 865 465 und 4 034 408 beschrieben.

Nichtkonjugierte optische Abtastsysteme weisen als Merkmal auf, daß die Ablenkspiegelfläche und die Abtastfläche zueinander in bezug auf das in einer zur Ablenkungsebene senkrechten Ebene zwischengesetzte optische System nicht konjugiert sind und daß zur Korrektur des Neigungsfehlers das System so ausgelegt ist, daß seine Brennweite entlang der Ablenkungsebene größer ist als seine Brennweite entlang einer Ebene senkrecht zur Ablenkungsebene. Typische Beispiele von optischen Abtastsystemen dieser Art sind in der US-PS 3 877 777 und der DE-AS 2 517 821 beschrieben.

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Eines der sehr wichtigen Probleme für optische Abtastsysteme liegt ferner darin, die Geschwindigkeit eines sich auf der Abtastfläche bewegenden abgelenkten Strahlenpunkts gleichförmig zu halten. In den vorstehend genannten Veröffentlichungen US-PS 4 034 408 und DE-AS 2 517 821 wurden einige Lösungen dieses Problems beschrieben, gemäß welchen zur gleichzeitigen Korrektur des Neigungsfehlers und der Gleichförmigkeit der Abtastgeschwindigkeit eine Kombination aus einem anamorphot!sehen optischen System und einem sphärischen optischen System verwendet wird.

Eine derartige Kombination aus einem anamorphot!sehen optischen System und einem sphärischen optischen System, die zu zwei unterschiedlichen Zwecken zwischen die Ablenkvorrichtung und die Abtastfläche gesetzt werden muß, ist jedoch schwer zu entwerfen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den vorstehend genannten Nachteil des bekannten Systems auszuschalten und ein optisches Abtastsystem zu schaffen, das günstig so ausgelegt werden kann, daß gleichzeitig sowohl die Korrektur des Neigungsfehlers als auch die Gleichförmigkeit der Abtastgeschwindigkeit erzielt werden.

Ferner soll mit der Erfindung ein optisches Abtastsystem geschaffen werden, das einfach aufgebaut ist und dabei die gewünschte Wirkung hinsichtlich der Neigungsfehler-Korrektur und des Konstanthaltens der Geschwindigkeit erzielen läßt.

Das erfindungsgemäße Abtastsystem gründet auf dem Umstand, daß die technische Ursache, die zur Korrektur des Neigungsfehlers beiträgt, und die technische Ursache, die zur Gleichförmigkeit der Abtastgeschwindigkeit beiträgt, unabhängig voneinander in zwei unterschiedlichen Ebenen zu finden sind, die einander unter rechtem Winkel schneiden. Daher werden beim Ent-

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wurf des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems die Einrichtung zur Korrektur des Neigungsfehlers und die Einrichtung für eine konstante Abtastgeschwindigkeit voneinander in der Weise getrennt, daß die Korrektur des Neigungsfehlers nicht durch die Einrichtung für die konstante Abtastgeschwindigkeit beeinträchtigt wird, während die Ausbildung der konstanten Abtastgeschwindigkeit nicht von der Einrichtung zur Korrektur des Neigungswinkels beeinträchtigt wird.

^Di^e Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das notwendige optische Fokussiersystem, das zwischen der Ablenkvorrichtung und der Abtastfläche angeordnet ist, allein unter Verwendung optisch eindimensionaler Fokus sier sy steine gebildet wird. Im einzelnen wird erfindungsgemäß zwischen die Ablenkvorrichtung und die Abtastfläche ein erstes optisch eindimensionales Fokussiersystem, dessen Lichtfokussierwirkung nur innerhalb der vorstehend definierten Ablenkungsebene besteht, und ein zweites optisch eindimensionales Fokussiersystem angeordnet, dessen Lichtfokussierwirkung nur in einer Richtung senkrecht zu der Ablenkungsebene zustande kommt. Das erste optisch eindimensionale Fokussiersystem enthält Einrichtungen, mit denen der Strahlenpunkt an der Abtastfläche mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegt wird, wogegen das zweite System Einrichtungen enthält, mit denen die Korrektur des Neigungsfehlers bewerkstelligt wird. Da jedes der beiden optisch eindimensionalen Fokussiersysteme nur Brechkraft in seiner eigenen Richtung quer zu der anderen Richtung zu haben braucht, können die beiden optischen Systeme unabhängig voneinander betrieben werden. Wenn daher das erste System zur Erzielung der gleichförmigen Geschwindigkeit betrieben wird, hat es keine Einwirkung auf die Leistung des zweiten Systems hinsichtlich der Korrektur des Neigungsfehlers. Auf gleiche Weise wird die Funktion des ersten Systems nicht durch die Korrektur des Neigungsfehlers mittels des zweiten Systems beeinträchtigt. Es ist daher zulässig, das erste und das zweite

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optisch eindimensionale Fokussiersystem ohne Besorgnis hinsichtlich gegenseitiger Störwirkungen auszulegen. Die Brechkraft und die Lage des ersten Systems können unabhängig von der Brechkraft und Lage des zweiten Systems gewählt werden. Daher wird bei der Konstruktion ein höherer Freiheitsgrad erzielt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abtastsystems ist das vorstehend beschriebene erste optisch eindimensionale Fokussiersystem aus einer Zylinderlinse oder aus zwei Zylinderlinsen gebildet, was einen besonders kompakten Aufbau des Gesamtsystems erlaubt.

Hinsichtlich eines weiteren Gesichtspunkts der Erfindung ist in Verv/endung bei dem vorstehend beschriebenen nichtkonjugierten Abtastsystem das zweite optische Fokussiersystem aus mehreren Zylinderlinsen gebildet, die in der Art eines Retrofokusobjektivs angeordnet sind, um damit die Brennweite zu verkürzen und die Bildbrennweite zu verlängern. Mit dieser Anordnung wird eine weiter verbesserte Wirkung hinsichtlich der Neigungsfehler-Korrektur erzielt.

Im Falle des konjugierten Abtastsystems werden die Ablenk fläche der Ablenkvorrichtung und die Abtastfläche zueinander in bezug auf das vorstehend genannte zweite optisch eindimensionale Fokussiersystem konjugiert angeordnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig.1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des

optischen Abtastsystems.

Fig.2 zeigt das Prinzip der Neigungsfehler-Korrektur bei einem nichtkonjugierten optischen Abtast

system gemäß der Erfindung.

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Fig. 3 zeigt eine Anordnung des optischen Abtastsystems, das zur Erzielung der angestrebten Gleichförmigkeit der Strahlenpunkt-Bewegungsgeschwindigkeit unter Verwendung zweier zylindrischer Linsen im optischen Abtastsystem ge

staltet ist.

Fig. 4 ist eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung,

zeigt jedoch eine weitere Anordnung, bei der zur Erzielung der angestrebten Gleichförmig

keit der Geschwindigkeit nur eine einzige Zylinderlinse verwendet wird.

Fig. 5 ist eine Darstellung zur Erläuterung einer sphärischen Fläche, die bei dem optischen Abtast

system verwendet wird.

Fig. 6 zeigt eine Anwendungsform des Abtastsystems, bei der dieses bei einem Laserstrahldrucker verwendet wird.

Fig. 7 zeigt ein Anordnungsbeispiel für ein Zylinderlinsensystem, das bei der in Fig. 6 gezeigten Einrichtung verwendet wird.

Die Fig. 1 zeigt ein Äusführungsbeispiel des optischen Abtastsystems, das als nichtkonjugiertes System ausgelegt ist. Mit 1 ist ein kollimiertes Strahlenbündel (Parallelstrahlen) bezeichnet, das von einer nicht gezeigten Lichtquelle kommt.

Mit 2 ist ein Polygonalspiegel bezeichnet, der mittels einer nicht gezeigten Antriebseinrichtung drehend angetrieben wird. Während der Drehung des Polygonalspiegels 2 um seine Drehachse 3 wird das auf eine Ablenkspiegelfläche 4 fallende Strahlenbündel 1 entlang der Ablenkungsebene abgelenkt. Mit 5 ist ein Zylinderlinsensystem bezeichnet, das im Hinblick

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auf die Ablenkungsebene Pokussierwirkung hat und das aus einer oder zwei Zylinderlinsen zusammengesetzt ist. 6 ist ein Zylinderlinsensystem, das in bezug auf eine zur Ablenkungsebene senkrechte Ebene Fokussierwirkung hat. In den Brennebenen der beiden Zylinderlinsensysteme 5 und 6 liegt eine Abtastfläche 7. Die Brennweite f des Zylinderlinsensystems 5 ist größer als die Brennweite f· des Zylindersystems 6, d. h. es gilt f > f'. Mit dieser Anordnung wird gemäß der Darstellung in Fig. 2 die Fehlererscheinung durch Neigung der Ablenkspiegelfläche herabgesetzt.

In der Fig. 2, die die optische Anordnung entlang der optischen Achse bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt, bezeichnet 4¹ eine Ablenkspiegelfläche, die beispielsweise als Folge eines Herstellungsfehlers in bezug auf eine zur Ablenkungsebene senkrechte Ebene um Δθ geneigt ist. Dieser Neigungsfehler bewirkt seinerseits, daß die Abtastzeile an der Abtastfläche 7 um Δ ρ abweicht. Wenn Δ θ klein ist, ist Λ ρ durch Ap ⁼ 2-f' · & θ gegeben. Dieser Wert /\p kann durch Verkürzung der Brennweite f' des Zylinderlinsensystems 6 verkleinert werden. Andererseits ist es erwünscht, die Brennweite f des Zylinderlinsensystems 5 so weit wie möglich zu vergrößern. Da das Zylinderlinsensystem 5 auf die Abtastrichtung Bezug hat, kann eine um so größere Abtastbreite erzielt werden je kleiner die Abweichung Δρ ist.

Auf diese Weise kann mit der in Fig. 2 gezeigten Anordnung die Neigung der Ablenkspiegelfläche (Neigungsfehler} kompensiert werden. Durch Verwendung zweier orthogonaler Zylinderlinsensysteme 5 und 6 ist es möglich, die Brennweiten f und f' unabhängig voneinander zu wählen.

Obgleich bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Abtastfläche 7 in der Brennebene der Zylinderlinsensy steine 5 und 6 gezeigt ist, kann diese Lage aus der gezeigten Lage in der Tiefe der Fokussierung dieser Linsen

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verändert werden. Wenn die Abtastfläche verschoben wird, wird in einem gewissen Ausmaß der Abbildungsmaßstab des Punkt-Durchmessers an der Abtastfläche verändert. Unter Ausnutzung dieses Umstands kann die Form des Punkts durch Verschiebung der Abtastfläche gesteuert werden. In Fig. 1 bezeichnet 8 einen anamorphotischen afokalen Strahlendehner. Das auf den drehenden Polygonalspiegel 2 auffallende kollimierte Strahlenbündel 1 wird der Einwirkung durch den Strahlendehner 8 unterzogen, so daß die Querschnittsform des Strahlenbündels 1 in der Weise verändert wird, daß an der Abtastfläche die erwünschte Form hervorgerufen wird.

Das Abtastsystem kann auch als konjugiertes optisches Abtastsystem ausgelegt werden. Bei einem solchen System werden die Ablenkspiegelfläche 4 des drehenden Polygonalspiegels 2 und die Abtastfläche 7 optisch in bezug auf das Zylinderlinsensystem 6 konjugiert. Hinsichtlich der Komponente der Einfallstrahlen, die senkrecht zur Ablenkungsebene gerichtet ist, wird das auf den drehenden Polygonalspiegel 2 einfallende Strahlenbündel auf der Ablenkspiegelfläche 4 fokussiert. Das Lichtstrahlenbündel bildet daher auf der Ablenkspiegelfläche 4 ein Linienbild.

Das Zylinderlinsensystem 5 hat zwei Funktionen. Eine besteht darin, auf der Abtastfläche 7 die mittels des als Abtastvorrichtung dienenden Polygonalspiegels 2 abgelenkte und in der Ablenkungsebene liegende Komponente der Lichtstrahlen zu fokussieren. Die zweite Funktion liegt darin, während der Drehung des Polygonalspiegels 2 den Strahlenpunkt an der Abtastfläche 7 mit gleichförmiger bzw. konstanter Geschwindigkeit zu bewegen. Ein besonderer Vorteil des Abtastsystems liegt darin, daß das Zylinderlinsensystem aus einer verringerten Anzahl von Linsen zusammengesetzt werden kann und daher die Größe des Geräts bzw. der Einrichtung insgesamt verringert werden kann. Bei dem optischen Abtastsystem kann das Zylinderlinsensystem 5 erfolgreich unter Verwendung nur

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einer Zylinderlinse oder zweier Zylinderlinsen gebildet werden.

Nachstehend wird das Zylinderlinsensystem 5 im einzelnen beschrieben, dessen Fokussierwirkung in der Ablenkungsebene liegt.

Als erstes Beispiel wird der Fall beschrieben, bei dem das Zylinderlinsensystem 5 aus zwei Zylinderlinsen 5a und 5b zusammengesetzt ist. Wenn die F-Zahl eine Abdunklung bedeutet, d.h. hoch ist, wird die Korrektur der Aberrationen bzw. Abbildungsfehler des Zylinderlinsensystems 5 folgendermaßen durchgeführt:

Bei hoher F-Zahl brauchen die sphärische Aberration und die Koma nicht so stark berücksichtigt werden, so daß in erster Linie die Petzvalsurame P, der Astigmatismus III und die Verzeichnung V einer Korrektur bedürfen. Für die Petzvalsumme P sollten die erste Zylinderlinse 5a und die zweite Zylinderlinse 5b des Zylinderlinsensystems 5 gemäß Fig. 3 zunächst so gewählt werden, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

Φΐ. Φ2. ^q (1)

bei der 0₁ die Brechkraft der ersten Linse 5a ist, N.J der Brechungsindex der ersten Linse 5a ist,

0, die Brechkraft der zweiten Linse 5b ist und N2 der Brechungsindex der zweiten Linse 5b ist.

Danach wird die Gestaltung der dünnen Linsen unter Verwendung der folgenden Beziehungsgleichung festgelegt, die in der Veröffentlichung "Methods for Lens Design" von Matui, veröffentlicht von Kyoritu Publishing Co., Ltd., Tokyo, Japan, beschrieben ist: .

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= ^{Σ (a}mi^oi ^{+ b}nri-B_oi + c_nri)

. Vl" OX Vl Ol Vl

(2)

in der &_111±, b_III±, C₁₁₁₁, a_vi, b_v± und C_v± Charakterisie-

rungsfaktoren der i-ten Linse sind, d. h. Konstanten, die

durch die paraxiale Beziehung und das Medium an der Vorderseite und der Rückseite des dünnen Linsensystems bestimmt
sind, und A_Qi und B_Qi spezifische Paktoren der i-ten Linse
sind.
10

Zwischen den spezifischen Faktoren A , und B . einer

^e oi oi

Einzellinse besteht ein Zusammenhang, so daß bei Bestimmung einer der Faktoren der andere automatisch gegeben ist. Wenn daher die angestrebten Korrekturwerte für den Astigmatismus III und die Verzeichnung V in die vorstehend angeführte
Gleichung (2) eingesetzt werden, ergibt die Gleichung (2)
simultane Gleichungen, bei denen von den Faktoren A .. , B ..,

A ~ und B _n nur zwei unbekannt sind. Durch Lösen der
o2 o2

simultanen Gleichungen werden die unbekannten Werte bestimmt, wodurch die Gestaltung einer jeden der Linsen festgelegt
werden kann.

Im Zusammenhang mit Vorstehendem ist anzuführen, daß
die Lage des Objektpunkts mit den vorstehend genannten

Charakterisierungsfaktoren in Zusammenhang steht, so daß sich die Werte derselben mit einer Änderung der Lage des Objektpunkts ändern. Daher ändert sich dementsprechend die Gestaltung einer jeden der Linsen, die durch Lösung der vorstehend genannten simultanen Gleichungen erzielt wird.

Das in Fig. 3 gezeigte Zylinderlinsensystem 5 ist ein System, bei dem der Objektpunkt im Unendlichen liegt, d. h. die einfallenden Strahlen Parallelstrahlen sind. Nachstehend wird dieses Zylinderlinsensystem 5 beschrieben. Falls gemäß Fig. 3 die Einfallstrahlen für die Ablenkung in die Ablenkungsebene ein Parallelstrahlenbündel sind, kann die Bewegungs-

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geschwindigkeit des Strahlenpunkts an der Abtastfläche 7 auf folgende Weise konstant gemacht werden:

i) Wenn eine Ablenkvorrichtung verwendet wird, die als Drehbewegungs-Merkmal eine Ablenkung mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit hat (wie beispielsweise ein drehender Polygonalspiegel) , soll der Wert der Verzeichnung V zu

festgelegt werden.
10

ii) Wenn das Drehbewegungs-Merkmal der verwendeten Ablenkvorrichtung darin liegt, daß eine Ablenkung in Form eines Sinusschwingung (wie beispielsweise bei einem Galvanometerspiegel)

erfolgt, die durch die Gleichung
15

Φ = Φο sinkt

dargestellt ist, bei der 0 der Drehwinkel,

k eine Konstante, _ 0_O die Winkelamplitude und

t die Zeit ist, dann ist der Wert der Verzeichnung V auf

ν - -ii - ¹I ^λ ) ²}

^V - 3^U 2*2φο' *

festzulegen.

Durch Einsetzen der vorstehend genannten Werte für die Verzeichnung V in der Ablenkungsebene des Zylinderlinsensystems 5 kann die Gleichförmigkeit der Bewegung des sich auf der Abtastfläche 7 bewegenden Strahlenpunkts erzielt werden.

Wenn das Zylinderlinsensystem 5 aus zwei Zylinderlinsen zusammengesetzt ist und gemäß vorstehender Beschreibung V = 2/3 ist, kann eine gute Wirkung hinsichtlich der Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit mittels eines Zylinderlinsensystems 5 er-

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zielt werden, das aus einer Zylinderlinse 5a, welche zur Ablenkvorrichtung hin angeordnet ist und negative Brechkraft in der Ablenkungsebene hat, und einer Zylinderlinse 5b zusammengestellt ist, die positive Brechkraft in der Ablenkungsebene hat. Zusätzlich hat unter der Voraussetzung, daß die Brennweite des Zylinderlinsensystems 5 in der Ablenkungsebene gleich 1 ist sowie 1,46 < N₁ < 1,84 und 1,46 < N₀ < 1,84 sind, wobei N^ der Brechungsindex der Zylinderlinse 5a ist und N₂ der Brechungsindex der Zylinderlinse 5b ist, das Zylinderlinsensystem 5 folgende Bedingungen zu erfüllen:

- 6 < φ, £ - 0.4
0.015 < e¹ < 0.2 .

- 11.4634 < Boi < 0.8648

oder

- 4 < Φι < - 0.4
0.025 < e¹ < 0.1

5.7779 < Bo ι < 18.178
"

wobei 0.J die Brechkraft des ersten Teilsystems bei der Brennweite 1 des Linsensystems ist, e¹ der Abstand zv/ischen den Hauptpunkten des ersten Teilsystems und des zweiten Teilsystems bei Brennweite 1 des Linsensystems ist und B ₁ der spezifische Faktor des ersten Teilsystems ist.

Beispiele für die Zusammenstellung des vorstehend beschriebenen Zylinderlinsensystems sind nachstehend angegeben, wobei

r.. der Krümmungsradius der Zylinderlinse 5a an der

Ablenkvorrichtungs-Seite ist, r„ der Krümmungsradius der Zylinderlinse 5a an der

Abtastflächen-Seite ist,

r- der Krümmungsradius der Zylinderlinse 5b an der

Ablenkvorrichtungs-Seite ist,

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	r4
5	n1 n2 d0
	d1 d2
10	d3 f
	FNO
	W
15	I II
	III
	P
	V
20	Beispiel 1

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der Krümmungsradius der Zylinderlinse an der Abtastflächen-Seite ist,

der Brechungsindex der Zylinderlinse 5a ist, der Brechungsindex der Zylinderlinse 5b ist, der axiale Luftabstand zwischen der Ablenkspiegelfläche 4 und der Zylinderlinse 5a ist, die axiale Dicke der Zylinderlinse 5a ist, der axiale Luftabstand zwischen den Zylinderlinsen 5a und 5b ist,

die axiale Dicke der Zylinderlinse 5b ist, die Brennweite ist, die F-Zahl ist, der Bildfeldwinkel ist, die sphärische Aberration ist, die Koma ist,
der Astigmatismus ist, die Petzvalsumme ist und die Verzeichnung ist.

f = 300 , FNO = 1 : 60 , W/2 = 28.65° , verw.Wellenlänge λ = 0.6328,um IT₁ = -104.605 d_o = 37.9472 r = 192.2785 d, = 8.3761 η_λ = 1.50839

= 410.9009 d₂ = 9.7979

r₄ = -105.0861 d₃ = 17.8272 n₂ = 1.79883 Aberrationsfaktoren bei Normierung mit f =

= 19.97 , H = -0.2585 , HE = -0.1543

P= 0.0995 , V = 0.5485 35

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Beispiel 2

f = 300 , FNO = 1 : 60 , w/2 = 20.94° ,

verw. Wellenlänge λ = 0.6328 _Um T₁ = -564.7932 d_Q = 72.4612

r₂ = 132.5783 d, = 5.1875 n, = 1.65

r = 1546.3578 d, = 38.7119

r₄ = -99.4955 d₃ = 86.0255 H₃ = 1.65

^⁰ Aberrationsfaktoren bei Normierung nit f = 1

I = 34.8618 , II = 5.2323 , m = 0.1703

IV = 0.1636 , V = 0.5574
Beispiel 3

f = 300 , FNO - 1 : 60 , W/2 = 28.65° ,

verw. Wellenlänge = 0.6328 ,um

r, = -31.5784 d - = 51.8258 1 ο

τ = 41.1848 d, = 2.6978 η = 1.81236 ^l

τ- =-157.2545 d, = 1.6902

C₄ = -64.4092 d₃ = 10.5417 n₂ = 1.81236 Aberrationsfaktoren bei Normierung mit f = 1 I = -99.722 , H = -9.6294 , IEE = -0.2882

P = 0.2398 , V = 0.5938

Beispiel 4

f = 300 , FNO = 1 : 60 , W/2 = 20.9° ,

verw. Wellenlänge = 0.6328 ,um

r, = - 23.019 d = 28.9
1 ο

r₂ = - 81.234 α_χ = 5.878 η_χ = 1.65 τ = -212.57 d„ = 4.254 r₄ = - 62.67 d₃ = 8.185 n₂ = 1.65

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Aberrationsfaktoren bei Normierung mit f = 1 I = -295.1181 , H = -9.4625 , ΠΕ = 0.3681

P = -0.0205 , V = 0.5562
Beispiel 5

f = 300 , FNO = 1 : 60 , V/2 = 20.77 verw.Wellenlänge = 0.6328 ,um T₁ = -22.2285 d_Q = 29.4033

r2	= -32.	9487	dl =	8	.0648	ni =	1.	65
r3	=-125.	9297	d2 =	4	.1422
r4	= -48.	8046	d3 =	4	.6641	n2 =	1.	65

Aberrationsfaktoren bei Normierung mit f = 1

I= -283.0201 , H = -7.3334 , HE = 0.278

P = -0.2468 , V = 0.4906

Wenn das Zylinderlinsensystem aus zwei Zylinderlinsen

zusammengesetzt ist und V = ^ {1 - _?(^-l ^{2 l}gilt, wird eine ^{J n}

gute Wirkung hinsichtlich der Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit durch Erfüllung der folgenden Bedingungen erzielt:

Das Zylinderlinsensystem 5 wird aus einer Zylinderlinse

5a, die an der Ablenkvorrichtungs-Seite angeordnet ist und 25

negative Brechkraft in der Ablenkungsebene hat, und einer Zylinderlinse 5b zusammengesetzt, die der Ablenkfläche 7 zugewandt angeordnet ist und positive Brechkraft in der Ablenkungsebene hat.

unter der Voraussetzung, daß die Brennweite des Systems

in der Ablenkungsebene gleich 1 ist sowie 1,46 ^-N₁ < 1,84 und 1,46^N <· 1,84 gilt, erfül
die nachstehenden Erfordernisse:

und 1,46^N <· 1,84 gilt, erfüllt das Zylinderlinsensystem

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-5.5 < φι < -0.35

1.2 < φ₂ < 5.7

-10 < ΐΒο ι < 3

oder
1.35 < Φι < 5.5

-5.3 < φ₂ <-0.4
-13 <Β οι * ⁴

wobei 0^ die Brechkraft des ersten Teilsystems bei Brennweite 1 des Linsensystems in der Ablenkungsebene ist,

0₂ die Brechkraft des zweiten Teilsystems bei Brennweite 1 des Linsensystems in der Ablenkungsebene ist und
Bq. der spezifische Faktor des ersten Teilsystems ist.

Nachstehend sind Beispiele für die Zusammensetzung des vorstehend beschriebenen zylindrischen Linsensystems angegeben:

Beispiel 6

φ_π = 20° (V = -0.01725)

f = 300 , FNO =60 , ω/2 - 20.5° ,

r. = 296.8618 , d = 39.1781
^L °

r₉ = 173.2156 , d, = 7.6284 , n, = 1.56716

Ct Λ- -Λ-

r = 62.9508 , d- = 12.0181

r₄ = 48.1409 , d₃ = 6.6132 , n₂ = 1.77975 Aberrationsfaktoren bei Normierung mit f = 1

I = 120.4932 , H= 9.6542 , UE= -0.0445 P = 0.3812 , V = 0.0133

Beispiel 7

Φο = 15° (V = -0.5492)
35

f = 300 , FNO =60 , ω/2 = 19.54° , T₁ = - 80.5068 , d_o = 45.1773

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r₂ = -598.2344 , α_χ = 2.023 , η_χ = 1.77764 r₃ = - 65.978 , d₂ = 3.6669 r₄ = - 35.3681 , d₃ = 3.8509 , η₂ = 1.78239 Aberrationsfaktoren bei Normierung mit f = 1 I = 318.4295 , IT= 24.1083 , TEL= -0.4147

P = 0.3166 , V = -0.4321

Beispiel 8

Φο = 20° (V = -0.01725)

f = 300 , FNO = 60 , ω/2 = 26.27° ,

T₁ =2784.2869 , d_Q = 42.1194

r₂ = -63.5345 , ά_χ = 15.6796 , η_χ = 1.70932

r₃ = -56.2483 , d₂ = 19.9774

' r₄ = 383.5802 , d₃ = 8.4216 , n₂ - 1.51548

Aberrationsfaktoren bei Normieruriq mit f = 1 I = 99.297 , H= 0.0761 , ΠΓ - 0.1162

P = -0.076 , V = -0.0684

Beispiel 9

φ₀ = 15° (V = -0.5492)

f = 300 , FNO = 60 , ω/2 = 25.26°

T₁ = -52.2902 , d_o = 41.4482 r₂ = -29.0321 , ä_± = 7.8791 , η_χ = 1.59108 r₃ = -29.9117 , (J₂= 24.6423 r₄ = -60.3365 , d₃ = 2.916 _r n₂ = 1.51002 Äberrationsfaktoren bei Normierung mit f = 1 I = 541.0695 , IE= 31.2753 , HJ= -0.1101 P = -0.0007 , V = -0.397

90980 7/0975

Als nächstes wird ein Zylinderlinsensystem 5 beschrieben, das nur eine einzige Zylinderlinse aufweist, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn ein derartiges Zylinderlinsensystem 5 aus einer einzigen Zylinderlinse 5c gemäß der Darstellung in Fig. 4 verwendet wird, ist die folgende Gleichung zu erfüllen:

g = - ν f (3)

wobei g der Abstand der Ablenkspiegelfläche 4 von der Lichtquelle 9 bzw. einem Bild 9 derselben ist, f die Brennweite der Zylinderlinse 5c ist und N der Brechungsindex der Linse ist.

Solange die vorstehend genannte Beziehung erfüllt ist, wird der Objektpunkt auf dem geometrischen Ort L, den das bewegte Bild der Lichtquelle während des Drehens der Ablenkspiegelfläche 4 beschreibt, nach Durchlaufen der Zylinderlinse 5c immer auf der Abtastfläche 7 abgebildet.

Bei Verwendung einer einzelnen Abtast- bzw. Zylinderlinse mit einer F-Zahl für eine Abdunklung, d. h. einer hohen F-Zahl, besteht praktisch keine Notwendigkeit, eine Korrektur der sphärischen Aberration und der Koma in Betracht zu ziehen. Lediglich der Astigmatismus und die Verzeichnung müssen in Betracht gezogen werden.

Gemäß der Lehre aus der vorstehend genannten Veröffentlichung "Methods for Lens Design" von Matui sind folgende Beziehungen für dünne Linsen einzuhalten:

^m = ^anA> ^{+ b}m^Eo ^{+ c}n:

V = a. Jk + b B +C

VO VO V

909807/0975

^{B 9126}283A085

Bei der vorstehenden Beziehungsgleichung sind C₁₁₁, a , b und C als Charakterisierungsfaktoren bezeichnete Konstanten, die durch die paraxiale Beziehung und das Medium in dem Bereich vor und nach dem dünnen Linsensystem bestimmt sind. A_ und B_Q sind spezifische Faktoren, die als Parameter zur Festlegung der Form und des Profils der Linse dienen. Im Falle einer Einzellinse besteht eine Abhängigkeit zwischen den Faktoren A- und B_n, so daß bei Festlegung eines Faktors der andere automatisch gegeben ist.

Durch Eingabe eines angestrebten Werts, d. h. des (Astigmatismus) III = 0 in die vorstehende Gleichung (4) wird der Wert für A_Q oder B_Q erzielt und dadurch die Gestaltung (Form und Profil) der Linse festgelegt. Zugleich ist in Abhängigkeit davon der Wert der Verzeichnung entsprechend der Gleichung (4) festgelegt. Mit V sei dieser Wert bezeichnet, während 0_ die Amplitude der Drehbewegung des Ablenkspiegels bezeichnen soll. Unter Verwendung eines derartigen Ablenkspiegels mit einer Drehamplitude 0_Q kann die Gleichförmigkeit der Abtastgeschwindigkeit an der Abtastfläche durch Erfüllung der folgenden Gleichung erzielt werden:

Φ. - (5)

wobei die Drehbewegung durch

Φ = φ ο sinkt (6)

charakterisiert sein soll und

g der Abstand zwischen der Ablenkspiegelfläche 4 und dem Bild der Lichtquelle 9 ist, t₁ der Abstand der Linse von der Ablenkspiegelfläche

ist,

0 der Drehwinkel der Ablenkspiegelfläche ist, k eine Konstante ist und
t die Zeit ist, wobei angenommen ist, daß bei t = 0

909807/0975

der abgelenkte Strahl mit der optischen Achse der Zylinderlinse 5c zusammenfällt.

Ein Beispiel für eine gemäß der vorstehend beschriebenen Theorie ausgelegte Zylinderlinse ist nachstehend als Beispiel 10 angegeben.

Im Beispiel 10 ist R₁ der Krümmungsradius der ersten Fläche der Zylinderlinse 5c, R₂ der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der Linse, d die Linsendicke, N der Brechungsindex, IV die Feldkrümmung, IV der theoretische Aberrationsfaktor der sagittalen Feldkrümmung und V der theoretische Aberrationsfaktor der Verzeichnung.

Beispiel

Φο	27.50	5	I	15	.86082
g+ti	-300	89551	IL	-1	.94748
ti	-22.	10851	m	0.	17670
Ri	-73.		P	0.	51300
R2	-47.		IV	0.	68970
d	5		V	0.	35 7 26
N	1.8	IV O	0.	54054
		V O	0.	35638

Alle vorstehend beschriebenen Beispiele betreffen den Fall, daß in die Ablenkungsebene kein asphärisches Element eingefügt ist. Nachstehend wird der Fall beschrieben, daß ein asphärisches Element eingesetzt ist.

909807/0975

Für diesen Fall ist im Gegensatz zu der vorstehenden Gleichung (4) in der vorangehend angeführten Veröffentlichung "Methods for Lens Design" von Matui die folgende Beziehungsgleichung (7) angegeben:

(7)

Vo ^{+ C}V ^{+ a}V

Wenn für III und V in der Gleichung (7) die angestrebten Werte eingesetzt werden, ergibt die Gleichung .(T). simultane Gleichungen, in welchen entweder Λ oder B_n sowie ein asphärischer Faktor "ψ unbekannt sind. Durch Lösen der simultanen Gleichungen können die Gestaltung und das Profil (einschließlich der asphärischen Fläche) der Linse festgelegt werden.

Im Vorstehenden ist ψ die Summe des asphärischen Faktors einer Seitenfläche einer Einzellinse mit dem asphärischen Faktor der zweiten Seitenfläche dieser Linse und durch

Ψθ Ξ Σ (II¹ - N )b (8)

v=l ^v vv

gegeben, wobei N der Brechungsindex des Mediums vor der Fläche ist, N^. der Brechungsindex des Mediums hinter der Fläche ist und b ein Wert ist, der auf die nachstehend beschriebene Abweichung Ax Bezug hat. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist A χ als Abweichung der asphärischen Fläche von der entsprechenden sphärischen Fläche definiert. Der Zusammenhang zwischenΔϊ und b ist folgendermaßen gegeben:

909807/0975

B 9126

Die Anzahl der asphärischen Flächen kann 1 oder mehr betragen. Die entsprechende Größe für U ist durch die Gleichung (8) gegeben.

Ein Beispiel für ein Zylinderlinsensystem, das gemäß der vorstehend beschriebenen Theorie ausgelegt ist, ist nachstehend als Beispiel 11 angegeben, wobei b₂ der asphärische Faktor der zweiten Fläche ist und 0_Q = w bedeutet, daß die Ablenkung mit gleichförmiger bzw. konstanter Winkelgeschwindigkeit erfolgt.

Beispiel 11

Φο	OO
g+ti	-300
ti	-45
Ri	145.95480
R2	-654.26213
b2	4.3106xl0"6
d	10.
N	1.8

I	-9.35168
H	-3.02105
m	0
P	0.55866
IV	0.55866
V	0.92272
IV	0.58824
V O	0.92272

Während das vorstehend beschriebene Beispiel nur für den Fall 0_Q= <*> dargestellt ist, ist es jedoch gemäß der vorstehend beschriebenen Theorie gleichermaßen möglich, ein Zylinderlinsensystem für den Fall zu entwerfen, daß der Wert von 0_O endlich ist, nämlich eine Ablenkung in Sinusschwingung erfolgt.

In diesem Fall kann die Gestaltung der Zylinderlinse durch Lösung der simultanen Gleichungen aus der Gleichung (7) nach Einsetzen des angestrebten Werts wie des Verzeichnungs-

90S807/097S

- 25 - B 9126_ΟΛΛ , _Λ

faktors V bestimmt werden, der folgender Gleichung genügt:

Die Fig. 6 zeigt die optische Anordnung eines Laserstrahldruckers, bei dem das optische Ablenksystem Anwendung findet.

Ein von einer Laserlichtquelle abgestrahlter Lichtstrahl wird mittels einer Moduliervorrichtung moduliert, wonach ein moduliertes paralleles Strahlenbündel 1 mittels eines drehenden Polygonalspiegels 2 abgelenkt wird, über ein Zylinderlinsensystem 5 und 6, wie es schon unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, wird das abgelenkte Strahlenbündel auf einer Trommel 10 abgebildet. Bei diesem Druckgerät muß die Zylinderlinse 6 das abgelenkte Strahlenbündel über einen Sekundär-Koronaentlader 11 auf der Trommel 10 abbilden. Als Zylinderlinse 6 ist daher eine Linse wünschenswert, die eine lange Bildbrennweite hat. Für diese Erfordernis ist bei dem in Fig. 6 gezeigten optischen Abtastsystem die Zylinderlinse bzw. das Zylinderlinsensystem 6 aus zwei Zylinderlinsen 12 und 13 zusammengesetzt, die in der Art eines Retrofokusobjektivs angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird eine Zylinderlinse erzielt, die eine kurze Brennweite und ein lange Bildbrennweite hat, wobei ihre Hauptebene in dem Sekundär-Koronaentlader 11 liegt. In Fig. 6 bezeichnet 14 eine Reinigungsklinge zum Entfernen restlichen Toners, 15 einen ersten Koronaentlader, 16 eine Lampe, 17 eine Entwicklungseinrichtung, 18 eine Ladeeinrichtung, 19 übertragungs- bzw. Bildempfangsmaterial, 20 eine Ubertragungs-Ladeeinrichtung und 21 eine Fixiereinrichtung.

Die Linsendaten des in dem in Fig. 6 gezeigten System verwendeten Zylinderlinsensystems 6 sind nachstehend angegeben.

909807/097S

- 26 - B 9126

Gemäß Fig. 7 bezeichnen R. bis R. die Oberflächen der Linsen 12 und 13, während D^ bis D₃ die Abstände zwischen den Oberflächen bezeichnen.

Rl	= -28.63967	R2	= r -
R3	= 18.58279	R4	= C
Dl	= 10	D2	= 73.39768
D3	= 10	Nl	= 1 .51462
N2	= 1.51462

909807/0976

Claims (1)

1. Τ CJ.. t£ Patentanwälte:

   MEDTKE - DÜHLING - IVlNNE η η-mn htip,

   Ü:pl.-Ing. H.Tiedtke

   GO Dipl.-C-hem. G. Bühling

   RUPE - HEL

   LMANN DipL-lng. R. Kinne

   Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann

   L 0 v5 -f U 0 5 Bavariaring 4, Postfach 20 24

   8000 München 2

   Tel.: 089-539653

   Telex: 5-24 845 tipat

   cable: Germaniapatent München

   3. August 1978 B 9126 / Canon case CFO1580-GP715

   Patentansprüche

   V^J, v'Optisches Abtastsystem mit einem Lichtquellen-Teil, einer Ablenkvorrichtung zum Aufnehmen des von der Lichtquelle kommenden Strahlenbündels und Ablenken des aufgenommenen Strahlenbündels in eine vorbestimmte Richtung und einer Abtastfläche, die mittels des abgelenkten Strahlenbündels abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ablenkvorrichtung (2) und der Abtastflache (7) ein erstes optisch eindimensionales Fokussiersystern (5), das nur in Richtung der Abtastzeile des abgelenkten Strahls Fokussierwirkung hat, und ein zweites optisch eindimensionales Fokussiersystem (6) angeordnet sind, das nur in Richtung senkrecht zur Abtastzeilen-Richtung Fokussierwirkung hat, und daß das erste optisch eindimensionale Fokussiersystem Eigenschaften für das Bewegen des Strahlenbündel-Punkts auf der Abtastfläche mit gleichförmiger Geschwindigkeit aufweist, während das zweite optisch eindimensionale Fokussiersystem mit Eigenschäften ausgestattet ist, die eine Bewegung des Strahlenbündel-Punkte senkrecht zur Abtastzeile behindern.

   2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des auf eine Ablenkfläche (4) der Ablenkvorrichtung (2) auffallenden Strahlenbündels (1) in Richtung

   VI /so

   909807/0975

   Deutsche Bank (München) KIo ST/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 39398Ί4 Postscl ·.'- ■ V-.rrhf ■■' KIo 6/0-43-R04

   senkrecht zur Abtastzeile parallel sind und die Brennlinien des ersten und des zweiten optisch eindimensionalen Fokussiersystems (5, 6) in der Abtastfläche (7) liegen.

   3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite (f) des zweiten optisch eindimensionalen Fokussiersystems (6) kürzer als die Brennweite (f) des ersten optisch eindimensionalen Fokussiersystems (5) ist.

   4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optisch eindimensionale Fokussiersystem (5) durch eine einzige Zylinderlinse (5c) gebildet ist.

   5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optisch eindimensionale Fokussiersystem (5) aus zwei Zylinderlinsen (5a, 5b) gebildet ist.

   6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des auf die Ablenkvorrichtung (2) einfallenden Strahlenbündels (1) in Richtung senkrecht zur Ablenkzeile auf einer Ablenkfläche (4) der Ablenkvorrichtung fokussiert sind und daß die Ablenkfläche der Ablenkvorrichtung und die Abtastfläche (7) in bezug auf das zweite optisch eindimensionale Fokussiersystem (6) zueinander konjugiert angeordnet sind.

   7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optisch eindimensionale Fokussiersystem (5) durch eine einzige Zylinderlinse (5c) gebildet ist.

   8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optisch eindimensionale Fokussiersystem aus zwei Zylinderlinsen (5a, 5b) gebildet ist.

   903 3 07/0975