DE3922982C2 - - Google Patents
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- DE3922982C2 DE3922982C2 DE3922982A DE3922982A DE3922982C2 DE 3922982 C2 DE3922982 C2 DE 3922982C2 DE 3922982 A DE3922982 A DE 3922982A DE 3922982 A DE3922982 A DE 3922982A DE 3922982 C2 DE3922982 C2 DE 3922982C2
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtasteinrich
tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Ab
tasteinrichtungen sind zum Einsatz in Laserdruckern geeignet,
wie sie als periphere Ausgabeeinrichtungen für Computer oder
sonstige Informations-Verarbeitungseinrichtungen verwendet
werden. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Abtastobjek
tiv gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 für eine solche op
tische Abtasteinrichtung.
In Laserdruckern wird bereits eine Einrichtung verwendet,
die es erlaubt, mit Hilfe einer Kombination aus einer FR-
Linse und einem sich drehenden Polygonspiegel einen Laser
strahl so abzulenken, daß er eine photoempfindliche Trommel
scannen bzw. abtasten kann. Bein Scannen bzw. Abtasten mit
Hilfe des Laserstrahls treten jedoch aufgrund der Neigung
der reflektierenden Oberflächen des sich drehenden Polygon
spiegels sogenannte Teilungs- bzw. Steigungsfehler (pitch
errors) auf.
Um die aufgrund des Neigungsfehlers des drehenden Polygon
spiegels hervorgerufenen, schädlichen Effekte zu kompensie
ren, wurden bereits eine Kombination aus einer zylindri
schen Linse und einer torischen FR-Linse (siehe
JP(A) 48-98 844), eine Kombina
tion aus einem Prisma und einer FR-Linse (siehe
JP(A) 59-9 883), eine Kombination
aus einer torischen Linse und einer FR-Linse (siehe
JP(A) 48-49 315) und der
gleichen, vorgeschlagen. Alle diese Methoden weisen jedoch
den Nachteil auf, daß sie eine erhöhte Anzahl von Komponen
ten erfordern, und zwar aufgrund der Verwendung zweier Sor
ten von optischen Elementen, z. B. eines asymmetrischen,
optischen Elements und einer FR-Linse, wie oben beschrie
ben.
Um diesen Schwierigkeiten entgegenzuwirken, wurde in
JP(A) 57-1 44 515
vorgeschlagen, die FR-Linse auch zur Kompensation der Ab
tast-Teilungsfehler bzw. Abtast-Steigungsfehler (scanning
pitch errors) zu verwenden, die aufgrund der Neigung des
Polygonspiegels auftreten. Eine FR-Linse in Übereinstimmung
mit diesem Vorschlag weist sowohl eine zylindrische Ober
fläche oder eine torische Oberfläche als auch gewöhnliche
sphärische Oberflächen oder planare Oberflächen auf. Es sei
angenommen, daß eine erste Ebene senkrecht zu einer zweiten
Ebene steht und daß eine "torische Oberfläche" eine Ober
fläche mit unterschiedlichen Krümmungsradien sowohl in der
ersten als auch in der zweiten Ebene ist. Die torische
Oberfläche läßt sich durch die nachfolgende Gleichung Zwei
ter Ordnung ausdrücken:
z = Ax² + By² (1)
Hierin sind z die optische Achse, xz und yz die zueinander
senkrecht stehenden Oberflächen, die die optische Achse
enthalten, und A und B Koeffizienten mit A ≠ B, die unab
hängig vom Beobachtungswinkel R relativ zur optischen Achse
sind.
In einer Laser-Abtasteinrichtung mit der oben beschriebenen
torischen Oberfläche gilt die nachfolgende Beziehung unter
der Voraussetzung, daß die optische Abtastoberfläche xz,
die die Oberflächenneigung verursachende Oberfläche yz, die
Hauptabtastrichtung x, die Sub-Abtastrichtung y und die
Brennweiten innerhalb jeder der Oberflächen fx und fy sind:
fx ≠ fy (als auch fx < fy) (2)
Wie anhand der oben beschriebenen Formel zu erkennen ist,
können sich insbesondere die Fokussierungseigenschaften in
der Oberflächenneigungsrichtung (Sub-Abtastrichtung) ver
schlechtern. Dies liegt daran, daß derjenige Bereich, der
durch fx abgetastet werden kann, begrenzt ist, da fx < fy
ist. Die gewünschten Fokussierungseigenschaften lassen sich
daher nicht in befriedigender Weise realisieren. Der Grund
für die Verschlechterung der Fokussierungseigenschaften in
der Sub-Abtastrichtung liegt darin, daß eine Feldkrümmungs
aberration in der Oberfläche (Oberfläche yz) bezogen auf
die Oberflächenneigung erzeugt wird. Die Wellenaberration
bei einem bestimmten Beobachtungswinkel R ergibt sich da
her wie folgt:
W = cy² (3)
Hierin entspricht c einem Koeffizienten. Andererseits las
sen sich gute Fokussierungseigenschaften in der Hauptab
tastrichtung erzielen, wenn R einen Wert von 40° oder weni
ger aufweist. Das bedeutet, daß eine Aberration nur in der
Oberflächenneigungs-Kompensationsrichtung (Richtung der y-
Achse und der Sub-Abtastrichtung) erzeugt wird, da W in
nicht-funktionaler Beziehung zu x steht. Da der Faktor c
einem Koeffizienten entspricht, der durch den Krümmungsra
dius, ein Intervall zwischen Linsen, einen Brechungsfaktor
und den Beobachtungswinkel und dergleichen bestimmt ist,
kann dieser Faktor aufgrund der Verschlechterung der Fokus
sierungseigenschaften nicht Null werden, wenn sich die Kon
tur der Linsenoberfläche in Übereinstimmung mit Gleichung
(1) bestimmt. Andere Probleme ergeben sich dadurch, daß die
Justierung durch Drehung der Linsen schwierig ist, da meh
rere asphärische Oberflächen in den FR-Linsen vorhanden
sind.
Die obigen Überlegungen gelten auch im Hinblick auf US
47 56 584, die eine optische Abtasteinrichtung gemäß dem Ober
begriff des Anspruchs 1 und ein Abtastobjektiv gemäß dem Ober
begriff des Anspruchs 8 offenbart. Auch hier ist ein Linsen
system mit in Haupt- und Sub-Abtastrichtung unterschiedlichen
Brennweiten vorgesehen.
Aus JP(A) 62-2 65 615 ist eine Struktur
bekannt, in der die Anzahl der asphärischen Oberflächen
der Abtastlinse (FR-Linse) auf Eins vermindert ist, wobei
sich die Form dieser asphärischen Oberfläche in Überein
stimmung mit der nachfolgenden Gleichung ergibt:
z = Ax² + B′ (R) · y² (4)
(B′ ≧ B)
(B′ ≧ B)
Hierin ist ein Koeffizient B′ eine Funktion eines Abtast-
Beobachtungswinkels R, während sich andererseits der Krüm
mungsradius der FR-Linse in Oberflächenneigungsrichtung in
Übereinstimmung mit der Ablenkrichtung ändert. Entsprechend
diesem Vorschlag läßt sich der Koeffizient des Ausdrucks y2
der Wellenaberration W näher an den Wert Null heranbringen,
und zwar dadurch, daß der Krümmungsradius in Oberflächen
neigungsrichtung (Sub-Abtastrichtung) größer wird mit zu
nehmendem Abstand von der optischen Achse (Achse z), wie
die gestrichelte Linie in Fig. 2 zeigt. Das bedeutet,
daß die Brennweite fy in Sub-Abtastrichtung eine Funktion
des Beobachtungswinkels R ist, so daß sich fy ebenfalls än
dert in Übereinstimmung mit der Änderung des Beobachtungs
winkels R. Gemäß diesem Vorschlag ist die Änderung des
Krümmungsradius in Sub-Abtastrichtung symmetrisch bezüglich
der optischen Achse. In Fig. 2 verläuft die z-Achse in
Richtung der optischen Achse, während die yz-Oberfläche
diejenige Oberfläche ist, die die Oberflächenneigung beein
flußt. In der Darstellung nach Fig. 2 repräsentiert die
durchgezogene Linie eine konventionelle torische Ober
fläche, die sich durch nachfolgende Gleichung ausdrücken
läßt:
z = By² + M (5)
Die Fokussierungsposition kann somit zu jeder Position auf
der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel gebracht wer
den, und zwar dadurch, weil der Krümmungsradius in Sub-Ab
tastrichtung größer wird mit zunehmendem Abstand von der
optischen Achse, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 2
zu erkennen ist, und dadurch, daß der Krümmungsradius au
ßerhalb der Achse (R ≠ 0) größer ist als der in der Ober
flächenneigungsrichtung auf der optischen Achse (R=0),
was zu der genannten asphärischen Oberfläche führt. Der
so gewählte Krümmungsradius ist darüber hinaus zusammen mit
dem Beobachtungswinkel R monoton ansteigend und bisymme
trisch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Ab
tasteinrichtung und ein
Abtastobjektiv für diese optische Abtasteinrichtung zu
schaffen, die eine unverzerte
Abtastung mit großem Ablenk- bzw. Beobachtungswinkel bei
gleichzeitig hohem Auflösungsvermögen gestatten.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des An
spruchs 1 bzw. dem des Anspruchs 8 angegeben.
Entsprechend der Erfindung befinden sich die reflektierende
Oberfläche des rotierenden Polygonspiegels und die Oberflä
che der photoempfindlichen Trommel in konjugierter Abbil
dungsbeziehung zueinander bezüglich der Sub-Abtastrichtung,
wobei das Abtastobjektiv dazu dient, den Abtast-Steigungsfeh
ler (scanning pitch error) zu kompensieren, der infolge der
Oberflächenneigung des rotierenden Polygonspiegels ent
steht. Weiterhin wird eine FR-Linse verwendet, die eine ro
tationsasymmetrische, asphärische Oberfläche mit individu
ellen Krümmungsradien in Hauptabtastrichtung und in Sub-Ab
tastrichtung aufweist. Der Krümmungsradius in Sub-Abtast
richtung erhöht sich monoton und asymmetrisch mit zunehmen
dem Abstand von der optischen Achse, so daß sich eine Feld
krümmungsaberration kompensieren läßt, die infolge des
schrägen Einfalls der optischen Strahlen auf den rotieren
den Polygonspiegel oder infolge der Bewegung der reflektie
renden Oberfläche des rotierenden Polygonspiegels entsteht.
Die FR-Linse ist eine Linse zur Abbildung der Strahlen an
einer Position auf der Abtastoberfläche in Übereinstimmung
mit dem Ablenkwinkel (Abtast-Beobachtungswinkel) R der op
tischen Strahlen, die durch die reflektierende Oberfläche
des rotierenden Polygonspiegels abgelenkt werden.
Die rotationsasymmetrische, asphärische Oberfläche weist
eine Form auf, die einen individuellen Krümmungsradius so
wohl bezüglich der Hauptachse als auch bezüglich der konju
gierten Achse besitzt. Der Krümmungsradius der konjugierten
Achse erhöht sich mit dem Abstand von der Achse (R ≠ 0).
Die Form ist weiterhin so gestaltet, daß sie asymmetrisch
bezüglich des Abtastzentrums (R=0) ist. Die so ausgebil
dete asphärische Oberfläche kann an irgendeiner Oberfläche
der Linse vorhanden sein, die eine FR-Linse ist, wobei sich
die asphärische Oberfläche vorzugsweise an derjenigen Ober
fläche befindet, die der Abtastoberfläche am nächsten liegt
(Oberfläche der photoempfindlichen Trommel). Beispielsweise
kann die asphärische Abtastlinse nach der Erfindung durch
zwei Linsen gebildet sein, so daß ausgehend von der Ein
trittsseite her (Seite des rotierenden Polygonspiegels)
vier hintereinander liegende Linsenoberflächen vorhanden
sind. Die ersten drei Oberflächen (gezählt von der Seite
des Polygonspiegels) können rotationssymmetrische bzw.
sphärische Flächen sein. Die vierte Oberfläche (die der Ab
tastoberfläche gegenüberliegende Oberfläche) ist dann die
rotationsasymmetrische, asphärische Oberfläche, die zuvor
beschrieben worden ist.
In Übereinstimmung mit der Erfindung läßt sich die Feld
krümmungsaberration kompensieren, die in Sub-Abtastrichtung
auf der Abtastoberfläche (Oberfläche der photoempfindlichen
Trommel) infolge des schrägen Einfalls der optischen Strah
len auf den rotierenden Polygonspiegel sowie infolge der
Bewegung der reflektierenden Oberfläche des rotierenden Po
lygonspiegels entsteht. Die optischen Strahlen können z. B.
Laserstrahlen sein. Es ist somit möglich, den Abbildungs-
bzw. Bildpunkt auf der Abtastoberfläche genau auszurichten
bzw. zu positionieren. Die Abtastung kann daher mit hohem
Auflösungsvermögen und über einen großen Ablenk- bzw. Beob
achtungswinkel erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine optische Abtast- bzw. Scan-Einrichtung,
Fig. 2 eine Linse mit einer konventionellen, asphärischen
Oberfläche,
Fig. 3 die Bewegung einer reflektierenden Oberfläche ei
nes sich drehenden Polygonspiegels,
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Feldkrümmung,
Fig. 5 ein Beispiel für eine asphärische Oberfläche bei
einer Abtastlinse nach der Erfindung,
Fig. 6 die Bewegung eines Bildes infolge der Positionsge
nauigkeit des rotierenden Polygonspiegels und der
Abtastlinse,
Fig. 7 die Änderung des Krümmungsradius der asphärischen
Oberfläche in Sub-Abtastrichtung sowie in Überein
stimmung mit der Erfindung,
Fig. 8 die Beziehung zwischen dem drehenden Polygonspie
gel und den Einfallswinkeln, und
Fig. 9 Fokussierungseigenschaften nach der Erfindung im
Vergleich zu einem konventionellen Beispiel.
Bevor die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Er
findung erfolgt, sollen nochmals die mit der Erfindung zu
lösenden Probleme skizziert werden.
In Laserdruckern wird ein rotierender Polygonspiegel als
Abtast- bzw. Scan-Einrichtung verwendet, wobei optische
Strahlen, z. B. Laserstrahlen, die von einer Lichtquelle
emittiert werden, z. B. von einer Laserlichtquelle, schräg
auf den rotierenden Polygonspiegel auftreffen. Beispiels
weise treffen also Laserstrahlen schräg auf die reflektie
rende Oberfläche des rotierenden Polygonspiegels auf, wobei
die Laserstrahlen innerhalb der Abtast- bzw. Scan-Ebene
(Oberfläche xz) verlaufen, in der auch die optische Achse
(Achse z) liegt. Entsprechend der Fig. 3 bewegt sich eine
reflektierende Oberfläche 40 eines rotierenden Polygonspie
gels bezüglich eines einfallenden Laserstrahls 41 nach vorn
und zurück. Der Auftreffpunkt des einfallenden Laserstrahls
41 verschiebt sich daher von der Position 42 zur Position
43, wobei sein reflektiertes Licht zunächst in Richtung 46
und dann in Richtung 47 abgestrahlt wird. Eine derartige
Bewegung der reflektierenden Oberfläche führt zu keinerlei
Problemen im oben beschriebenen Fall
gemäß JP(A) 62-2 65 615, bei dem parallele
Strahlen auf die reflektierende Oberfläche eines rotieren
den Polygonspiegels auftreffen, wobei jedoch der Leucht
fleck (spot) auf der Oberfläche der photoempfindlichen
Trommel in Richtung der optischen Achse bewegt wird, wenn
die reflektierende Oberfläche 40 in einem Fall bewegt wird,
bei dem sich die reflektierende Oberfläche des rotierenden
Polygonspiegels und die Oberfläche der photoempfindlichen
Trommel zusammen in einer Fokussierungsbeziehung bezüglich
der Sub-Abtastrichtung (y-Richtung) zwecks Kompensation der
Oberflächenneigung des rotierenden Polygonspiegels befin
den, um sicherzustellen, daß der Laserstrahl 41, der auf
die reflektierende Oberfläche des rotierenden Polygonspie
gels auftrifft, zu einem einzelnen Punkt fokussiert wird,
und zwar bezüglich der Sub-Abtastrichtung. Ist R der Beob
achtungswinkel, so läßt sich die Bewegung dieses Bildpunkts
wie folgt beschreiben:
a R + b R² + c R³ + . . . (6)
Wie zu erkennen ist, befinden sich in den Ausdrücken zur
Bestimmung des Beobachtungswinkels R ungerade Funktionster
me. Wird der Laserstrahl zwecks Abtastung und nach schrägem
Auftreffen auf die reflektierende Oberfläche des rotieren
den Polygonspiegels durch eine Abtastlinse abgebildet, die
eine asphärische Oberfläche aufweist, bei der der Krüm
mungsradius in Sub-Abtastrichtung bisymmetrisch bezüglich
der optischen Achse ist, so kann der Abbildungs- bzw. Bild
punkt in Sub-Abtastrichtung nicht auf der Abtastoberfläche
liegen (also nicht auf der Oberfläche der photoempfindli
chen Trommel), wie durch die gestrichelt eingezeichnete Li
nie in Fig. 4 angedeutet ist. Das Bild wird also nicht ge
neigt bzw. gekippt, selbst wenn Laserstrahlen schräg auf
die reflektierende Oberfläche auftreffen, um durch eine bi
symmetrische und asphärische Abtast- bzw. Scan-Linse im La
serabtast- bzw. Scan-System abgebildet zu werden, das eine
Abtast- bzw. Scan-Einrichtung, wie z. B. einen Galvanome
terspiegel, enthält, bei dem die Rotationsachse und die
reflektierende Oberfläche miteinander koinzidieren. Wird
jedoch ein rotierender Polygonspiegel verwendet, bei dem
das Rotationszentrum nicht auf der reflektierenden Oberflä
che liegt, so bewegt sich der Leuchtfleck unvermeidlich auf
der Abtastoberfläche, wie oben beschrieben, und zwar in
Richtung der optischen Achse und in Übereinstimmung mit der
Bewegung der reflektierenden Oberfläche. Im Ergebnis trifft
der Bildpunkt, der in der Sub-Abtastrichtung positioniert
ist, nicht mit der Abtastoberfläche zusammen, wie die ge
strichelte Linie in Fig. 4 zeigt. Die Tatsache, daß in Fig.
4 der Bildpunkt in negativer Richtung abgelenkt wird, führt
dazu, den Krümmungsradius R-x in Sub-Abtastrichtung mit zu
nehmendem Abstand von der optische Achse zu vergrößern, um
den Bildpunkt wieder auf die Oberfläche der photoempfindli
chen Trommel (Position, an der z′=0 ist) zu bringen, die
als Abtastoberfläche dient. Auf der anderen Seite führt die
Tatsache, daß in Fig. 4 der Bildpunkt in positiver Richtung
abgelenkt wird, zu der Notwendigkeit, den Krümmungsradius
Rx in Sub-Abtastrichtung zu verkleinern, was im Gegensatz
zur ersten Maßnahme steht. In Übereinstimmung mit der Er
findung wird daher eine rotationssymmetrische, asphärische
Oberfläche verwendet, bei der die Hauptachse und die konju
gierte Achse die individuellen Krümmungsradien aufweisen,
wobei der Krümmungsradius der konjugierten Achse mit zuneh
mendem Abstand von der Achse ansteigt, während die Form
asymmetrisch in Lateralrichtung bezüglich des Abtastzen
trums ist. Im Ergebnis kann die Feldkrümmungsaberration,
die in Sub-Abtastrichtung auf der Abtastoberfläche infolge
des schrägen Einfalls des Lichts auf den Polygonspiegel
oder infolge der Bewegung der reflektierenden Oberfläche in
Übereinstimmung mit der Rotation des sich drehenden Poly
gonspiegels erzeugt wird, kompensiert werden, um Koinzidenz
zwischen Bildpunkt und Abtastoberfläche herzustellen, so
daß bessere Fokussierungseigenschaften und damit ein höhe
rer Auflösungspegel erhalten werden.
Die asphärische Abtastlinse nach der Erfindung enthält eine
fR-Linse, die einen optischen Strahl an einer Position auf
der Abtastoberfläche abbildet, die im Verhältnis zum Ab
tastwinkel steht. Dieser optische Strahl wird abgebildet in
einer konjugierten Beziehung zwischen dem rotierenden Poly
gonspiegel und der Abtastoberfläche bezüglich der Sub-Ab
tastrichtung, die senkrecht zur Hauptabtastrichtung ver
läuft, so daß er durch Drehung des Polygonspiegels und in
folge der Reflexion an den reflektierenden Oberflächen die
ses rotierenden Polygonspiegels abgelenkt werden kann. Die
oben beschriebene fR-Linse weist individuelle Brennweiten
in Hauptabtastrichtung und in Sub-Abtastrichtung auf, wobei
die Brennweite (focal length) in Sub-Abtastrichtung asymme
trisch in Lateralrichtung vergrößert ist, und zwar mit zu
nehmendem Abstand von der optischen Achse.
Die Lateralvergrößerung der Abtastlinse nach der Erfindung
weist einen Wert von 3 oder darüber auf, der jedoch nicht
größer als 5 ist. Sei angenommen, daß der Radius des rotie
renden Polygonspiegels 30 bis 50 mm ⌀ beträgt, so ergibt
sich eine Bewegung der reflektierenden Oberfläche des ro
tierenden Polygonspiegels von im wesentlichen 1 mm. Die
Feldkrümmungsaberration infolge der oben beschriebenen Be
wegung kann, wie ebenfalls bereits beschrieben, durch Ver
wendung einer asphärischen Oberfläche eliminiert werden,
die einen Krümmungsradius aufweist, der asymmetrisch in La
teralrichtung ist. Unter Berücksichtigung der Positionsge
nauigkeit des rotierenden Polygonspiegels und der Abtast
linse sei angenommen, daß die reflektierende Oberfläche 40,
die an einer Position 40 2 positioniert ist, um z. B. 0,3 mm
von der gewünschten Position 40 1 abweicht, so daß sich die
Position p0 des reflektierten Bildes entsprechend der ge
strichelten Linie in Fig. 6 zur Position p0′ verschiebt,
also im wesentlichen um 0,6 mm, was das Doppelte der oben
beschriebenen Ablenkung von 0,3 mm ist. Als Ergebnis der
Verschiebung des Bildpunkts P auf der Oberfläche der photo
empfindlichen Trommel, die in quadratischer Weise von der
Lateralvergrößerung der Abtastlinse abhängt, wird der Punkt
P′ erreicht. Sei angenommen, daß die Lateralvergrößerung
den Wert 3 bis 5 aufweist, so beträgt die Verschiebung PP′
auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 5,4 bis
15 mm. Die F-Zahl der Abtastlinse einer Abtast- bzw. Scan-
Einrichtung, die z. B. ein Laserdrucker oder dergleichen
sein kann, weist im wesentlichen eine Größe von 100 auf.
Der Brennpunktabstand (focal depth) läßt sich in Form eines
PP-Werts wie folgt ausdrücken:
4F² · λ (7)
Ein Brennpunktabstand von im wesentlichen 15 mm wird erhal
ten bei Verwendung eines Werts 2F2λ, der ein Ergebnis der
Verteilung des oben beschriebenen Werts 4F2×λ sowohl zur
positiven Seite als auch zur negativen Seite hin ist, und
infolge der Annahme, daß die Wellenlänge des verwendeten
Strahls bei λ=0,78 µm liegt.
Der rotierende Polygonspiegel und die Abtastlinse können
daher innerhalb des Bereichs des Brennpunktabstands mit der
Positionsgenauigkeit von 0,3 mm oder kleiner angeordnet
werden, und zwar bei Wahl der Lateralvergrößerung der Ab
tastlinse zwischen 3 bis 5, was vorteilhaft ist im Hinblick
auf die Herstellungsrate. Überschreitet die Lateralvergrö
ßerung den Wert 5, so ist eine höhere Positionsgenauigkeit
im Hinblick auf den rotierenden Polygonspiegel und die Ab
tastlinse erforderlich, was Schwierigkeiten bei der Montage
der Einrichtung bereitet. Ist dagegen die Lateralvergröße
rung kleiner als 3, so muß die Abtastlinse näher an die
photoempfindliche Trommel herangebracht werden, wodurch es
notwendig wird, den Durchmesser der Linse zu vergrößern.
Die Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Laser
druckers, der als Ausführungsbeispiel einer optischen Ab
tast- bzw. Scan-Einrichtung nach der Erfindung anzusehen
ist. Er enthält ein rotationsasymmetrisches, asphärisches
FR-Objektiv 1, eine Laserstrahlenquelle 2, eine Kollimatorlin
se 20, eine Zylinderlinse 3, einen rotierenden Polygonspie
gel 10 und eine photoempfindliche Trommeloberfläche 15.
Laserstrahlen 100, die von der Laserstrahlenquelle 2 emit
tiert werden, laufen durch die Kollimatorlinse 20 hindurch,
durch die sie parallelisiert werden. Die Zylinderlinse 3
ist so angeordnet, daß sie nur in Sub-Abtastrichtung (y-
Richtung) wirkt. Im Ergebnis werden die Laserstrahlen, die
von der Kollimatorlinse 20 kommen, auf der reflektierenden
Oberfläche 40 des rotierenden Polygonspiegels 10 zusammen
geführt, und zwar in Sub-Abtastrichtung, also in y-Rich
tung, während in Hauptabtastrichtung parallele optische
Strahlen auf die reflektierende Oberfläche 40 auftreffen,
so daß ein länglicher Beleuchtungsfleck (spot) entsteht.
Diese reflektierende Oberfläche 40 und die Abtastoberfläche
15, in der die photoempfindliche Trommel angeordnet ist,
befinden sich in geometrisch-optischer, konjugierter Bezie
hung bezüglich der Sub-Abtastrichtung, also bezüglich der
y-Richtung. Das Abtastobjektiv 1 (fR-Objektiv) zur Ausführung der
Laserabtastung enthält: eine erste Linse mit Linsenoberflä
chen 11 und 12, von denen jede eine rotationssymmetrische
Achse aufweist, die durch eine asphärische Oberfläche oder
eine Ebene gebildet ist, sowie eine zweite Linse mit einer
Linsenoberfläche 13, die durch eine Ebene oder sphärische
Oberfläche gebildet ist, und einer Linsenoberfläche 14, die
eine rotationsasymmetrische, asphärische Oberfläche ent
hält. Das auf diese Weise gebildete Abtastobjektiv 1 dient da
zu, die vom rotierenden Polygonspiegel abgelenkten Paral
lelstrahlen auf der Abtastoberfläche zusammenzuführen, also
auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel 15, wenn
eine Abbildung in Hauptabtastrichtung (x-Richtung) ausge
führt wird.
Die Spezifikationen des Abtastobjektivs 1 sind in nachfolgender
Tabelle 1 zusammengestellt. Entsprechend dieser Tabelle 1
ist der Ausdruck der reflektierenden Oberfläche 40 des
rotierenden Polygonspiegels 10 zugeordnet, während die Aus
drücke bis den Oberflächen der Abtastlinse 1 zugeordnet
sind. Der Ausdruck entspricht der Linsenoberfläche 11,
die durch eine sphärische Oberfläche mit rotationsasymme
trischer Achse gebildet ist, während die Ausdrücke und
den Linsenoberflächen 12 und 13 zugeordnet sind, die je
weils durch eine Ebene gebildet sind. Der Ausdruck ist
der Linsenoberfläche 14 zugeordnet, die durch eine rota
tionsasymmetrische, asphärische Oberfläche gebildet ist,
während der Ausdruck der Oberfläche der photoempfindli
chen Trommel zugeordnet ist, wobei r ein Krümmungsradius, d
ein Abstand zwischen Oberflächen und n ein Brechungsindex
sind. Die Werte von r in Tabelle 1 weisen entweder positi
ves oder negatives Vorzeichen auf, je nach Richtung der
Oberfläche. Ein negatives Vorzeichen trägt der Tatsache
Rechnung, daß das Krümmungszentrum an der negativen Seite
der Oberfläche positioniert ist, wenn sich die Strahlen in
Richtung von der negativen Seite zur positiven Seite hin
fortpflanzen.
Das Abtastobjektiv 1 zeichnet sich durch
die asphärische Oberfläche 14 in aus. Die Fig. 5 zeigt
ein Beispiel der Form einer asphärischen Oberfläche 14 nach
der Erfindung. Entsprechend der Fig. 5 repräsentiert Ro ei
nen Krümmungsradius in Sub-Abtastrichtung am Abtastzentrum
(R=0), während Rx und R-x Sub-Abtast-Krümmungsradien in x-
Koordinatenrichtung und in -x-Koordinatenrichtung jeweils
repräsentieren, für die die Beziehung Rx ≠ R-x gilt. Die
asphärische Oberfläche 14 nach der Erfindung enthält insbe
sondere eine asphärische Oberfläche, die durch die abwech
selnd langen und kurzen Linien dargestellt ist, und die
dadurch erhalten wird, daß ein Wert von 3×10-7 (xy)2 an
Koordinaten (x, y) (markiert durch die gestrichelte Linie
) zu einer torischen Oberfläche f (x, y) (markiert durch
die ununterbrochene Linie ) hinzuaddiert wird, die so
ausgebildet ist, daß der Absolutwert des Krümmungsradius Ry
in Hauptabtastrichtung 155,7 mm und der Absolutwert des
Krümmungsradius Ro in Sub-Abtastrichtung 49,22 mm betragen,
wobei darüber hinaus der Wert Δ an Koordinaten (x, y) der
zuletzt erhaltenen Oberfläche hinzuaddiert wird. C ergibt
sich also aus A+B+Δ, wobei sich A aus f (x, y) und B
aus f (x, y)+3×10-7 (xy)2 ergeben. Das Symbol Δ reprä
sentiert Werte, die z. B. in Tabelle 2 angegeben sind. Je
der der Werte Δ wird an Koordinaten (x, y) hinzuaddiert, so
daß sich schließlich die Linsenoberfläche in z-Richtung,
also in Richtung der optischen Achse, über einen Abstand
verschiebt, der durch den Ausdruck Δ bestimmt ist. Die
nicht in Tabelle 2 gezeigten Werte von Δ an entsprechenden
Koordinaten (x, y) lassen sich durch polynomische Approxi
mation bestimmen, wobei die in Tabelle 2 angegebenen Werte
als Stützpunkte benutzt werden. Die Lateralvergrößerung
dieser Abtastlinse in Sub-Abtastrichtung weist einen Wert
von im wesentlichen 4,5 auf.
Da entsprechend der Tabelle 2 die Werte Δ Vorzeichen auf
weisen, die zu den Vorzeichen von x invertiert sind, ist es
augenscheinlich, daß die asphärische Oberfläche gemäß in
Fig. 5 eine Form aufweist, die asymmetrisch bezüglich der
x-Koordinate ist. Der Krümmungsradius Rx in Sub-Abtastrich
tung wird gemäß Fig. 7 asymmetrisch bezüglich des Abtast
zentrums (R=0). Im Beispiel nach Fig. 7 weist der Krüm
mungsradius in Sub-Abtastrichtung einen Wert Ro=49,22 mm
auf und nimmt nach jedem Ende hin in asymmetrischer Weise
einen größeren Wert R-x=53,7 mm und R+x=54,7 mm an.
Derartige asphärische Oberflächen lassen sich durch direkte
Bearbeitung mit einer numerisch gesteuerten (NC) Schleifma
schine herstellen.
In Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel ist der
rotierende Polygonspiegel 10 so ausgebildet, daß er einen
Radius von 32 mm aufweist, die Anzahl seiner Oberflächen
acht beträgt, der Einfallswinkel β des Laserstrahls 41 66°
ist und die Konfiguration bezüglich der optischen Achse (z-
Achse) mit der in Fig. 8 gezeigten übereinstimmt. Werden
die mit diesem rotierenden Polygonspiegel 10 abgelenkten
Laserstrahlen durch das oben beschriebene Abtastobjektiv 1 ab
gebildet, so erfolgt eine solche Fokussierung, bei der die
Feldkrümmungsaberration auf 2 mm begrenzt bleibt, und zwar
innerhalb eines Bereichs des Abtast-Beobachtungswinkels R
von ±29°, wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 9 an
gegeben ist. Im Ergebnis wird ein gleichmäßig konvergenter
Leuchtfleck bzw. Spot von 60×100 µm erhalten. Die gestri
chelte Linie in Fig. 9 kennzeichnet die Position der Bild
oberfläche in Sub-Abtastrichtung, wenn jegliche asymmetri
sche Oberfläche fehlt, also kein Wert Δ hinzugefügt worden
ist. Es ist somit augenscheinlich, daß die Differenz zwi
schen dieser gestrichelten Linie und der durchgezogenen Li
nie in Fig. 9 durch den Wert von Δ kompensiert werden kann.
Wie oben beschrieben, läßt sich jede Feldkrümmungsaberra
tion, die in Sub-Abtastrichtung erzeugt wird, wenn Laser
strahlen schräg auf den rotierenden Polygonspiegel auftref
fen, dadurch eliminieren, daß die Oberfläche der Abtastlin
se asymmetrisch bezüglich der optischen Abtastachse ausge
bildet wird. Demzufolge läßt sich eine Abtastung mit einer
Oberflächenneigungs-Kompensationsfunktion durchführen, und
zwar bei hohem Auflösungsvermögen und über einen großen Be
obachtungswinkel.
Claims (12)
1. Optische Abtasteinrichtung mit
- - einer Lichtquelle (2) ,
- - einem rotierenden Polygonspiegel (10) zur Ablenkung von optischen Strahlen, die von der Lichtquelle (2) emittiert werden, um eine Abtastoberfläche (15) abzutasten,
- - einem zwischen dem rotierenden Polygonspiegel (10) und der Abtastoberfläche (15) angeordneten Abtastobjektiv (1) zur Abbildung von rotierendem Polygonspiegel (10) und Ab tastoberfläche (15) in geometrisch-optisch konjugierter Beziehung bezüglich einer Sub-Abtastrichtung (y), die senkrecht zu einer Hauptabtastrichtung (x) liegt, entlang deren die Abta stung mittels des rotierenden Polygonspiegels (10) er folgt, sowie zur Abbildung der an einer reflektierenden Oberfläche (40) des rotierenden Polygonspiegels (10) ab gelenkten optischen Strahlen an einer Position auf der Abtastoberfläche (15) in Übereinstimmung mit seinem Ab tastwinkel, wobei das Abtastobjektiv (1) ein Linsensystem mit individuellen Brennweiten in Haupt- und Sub-Abtastrichtung (x; y) aufweist, und
- - einem zwischen der Lichtquelle (2) und dem rotierenden Polygonspiegel (10) angeordneten optischen System (20, 3), das die von der Lichtquelle (2) emittierten optischen Strahlen in Sub-Abtastrichtung (y) konvergent zusammen führt und sie ferner, bezogen auf die optische Achse (z) des Abtastobjektivs (1), schräg auf eine reflektierende Ober fläche (40) des rotierenden Polygonspiegels (10) auftref fen läßt, um auf der reflektierenden Oberfläche (40) des rotierenden Polygonspiegels (10) eine längliche und sich in Hauptabtastrichtung (x) erstreckende Strahlquer schnittsform zu erhalten,
dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Linsensystem des Abtast
objektivs (1) die Brennweite bezogen auf die Sub-Abtastrich
tung (y) mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse
(z) asymmetrisch ansteigt.
2. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abtastlinse (1) eine asphärische
Oberfläche mit individuellen Krümmungsradien in Hauptab
tastrichtung (x) und in Sub-Abtastrichtung (y) aufweist,
und daß die asphärische Oberfläche so ausgebildet ist, daß
ihr Krümmungsradius in Sub-Abtastrichtung (y) mit zunehmen
dem Abstand von der optischen Achse (z) in Lateralrichtung
asymmetrisch und monoton ansteigt.
3. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lateralvergrößerung des Ab
tastobjektivs (1) in Sub-Abtastrichtung (y) im Bereich von 3 bis 5 liegt.
4. Optische Abtasteinrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastobjektiv (1)
eine erste Linse mit rotationssymmetrischen Oberflächen an
ihren beiden Seiten (11, 12) und eine zweite Linse auf
weist, die eine rotationssymmetrische Oberfläche (13) und
die asphärische Oberfläche (14) besitzt.
5. Optische Abtasteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die rotationssymmetrische Oberfläche (13) eben ist.
6. Optische Abtasteinrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System
eine Kollimatorlinse (20) zur Parallelisierung der von der
Lichtquelle (2) emittierten optischen Strahlen sowie eine
Zylinderlinse (3) aufweist, um die von der Kollimatorlinse
(20) kommenden optischen Strahlen bezüglich der Sub-Abtast
richtung (y) konvergent zusammenzuführen.
7. Optische Abtasteinrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastoberfläche
(15) die Oberfläche einer photoempfindlichen Trommel ent
hält und in einem Laserdrucker verwendet wird.
8. Abtastobjektiv (1) zum Abbilden eines rotierenden Poly
gonspiegels (10) und einer Abtastoberfläche (15) in konju
gierter Beziehung bezüglich einer Sub-Abtastrichtung (y),
die senkrecht zu einer Hauptabtastrichtung (x) liegt, sowie
zum Abbilden von optischen Strahlen an einer Position auf
der Abtastoberfläche (15) in Übereinstimmung mit einem Ab
tastwinkel, mit einer asphäri
schen Oberfläche (14) mit individuellen Krümmungsradien in
Hauptabtastrichtung (x) und in Sub-Abtastrichtung (y), dadurch
gekennzeichnet daß der in Sub-Abtastrichtung (y) liegende Krüm
mungsradius der asphärischen Oberfläche (14)
in Lateralrichtung mit zuneh
mendem Abstand von der optischen Achse (z) asymmetrisch ansteigt.
9. Abtastobjektiv nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß seine Lateralvergrößerung in Sub-Abtastrichtung (y) im Bereich von 3 bis 5 liegt.
10. Abtastobjektiv nach Anspruch 8 oder 9, gekenn
zeichnet durch eine erste Linse, deren beide Oberflächen (11, 12) rotationssymmetrisch sind,
sowie eine
zweite Linse, die eine rotationssymmetrische Ober
fläche (13) und die asphärische Oberfläche (14) aufweist.
11. Abtastobjektiv nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die rotationssymmetrische
Oberfläche (13) eben ist.
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