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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Scanner,
insbesondere einen optischen Scanner, der sich besonders für
die Verwendung in einem hochauflösenden Laser-Scanner
eignet.
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Optische Scanner der Art, wie sie in Laserdruckern verwendet
werden, umfassen im allgemeinen ein drehbares Polygon, mit
dem ein Lichtstrahl auf einem Empfangsmedium abgetastet
wird. Die in einem derartigen Scanner verwendeten optischen
Elemente sind so gestaltet, daß ein flaches Tangetialfeld
für eine einwandfreie Strahlfokussierung erzielt wird und
sogenannte Pyramidalwinkelfehler, d.h. Fleckpositionsfehler
senkrecht zur Abtastrichtung aufgrund eines
Winkelfluchtungsfehlers der Facetten des Polygons, korrigiert werden;
außerdem müssen die optischen Elemente eine relativ gerade
Abtastzeile erzeugen und die f-Θ-Verzerrung korrigieren. Das
Empfangsmedium in den Scannern kann ein fotografischer Film
oder ein lichtempfindliches Medium wie z.B. eine
xerographische Trommel sein.
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In US-A-4,247,160 wird ein Laserscanner mit einem zwischen
dem Polygon und der lichtempfindlichen Oberfläche
angeordneten konkaven zylindrischen Spiegel beschrieben. Der
konkave zylindrische Spiegel mit positiver Brechkraft senkrecht
zur Abtastrichtung und null Brechkraft in Abtastrichtung
reduziert Pyramidalwinkelfehler auf ein Minimum. Eine
negative Zylinderlinse mit einer Brechkraft in Abtastrichtung
ist zwischen dem zylindrischen Spiegel und dem Polygon
angeordnet, um den Strahl zu fokussieren und ein flaches
Tangentialfeld zu erzeugen.
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In US-A-4,512,625 wird ein Linsensystem beschrieben, in dem
ein konkaver zylindrischer Spiegel zum Ausgleich von
Pyramidalwinkelfehlern verwendet wird. Zwei Linsenelemente
befinden
sich zwischen dem zylindrischen Spiegel und einem
drehbaren Polygon. Eines der Linsenelemente hat eine negative
sphärische Brechkraft und das andere Linsenelement eine
negative zylindrische Brechkraft senkrecht zur Abtastrichtung
auf der Vorderseite und eine negative sphärische Brechkraft
auf der Rückseite. Eines der Hauptprobleme des in diesem
Patent und in US-A-4,247,160 beschriebenen Linsensystems ist
es, daß die mit diesen Systemen erzielte Auflösung für
bestimmte Anwendungen wie z.B. die Herstellung von
Rasterbildern nicht ausreicht.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die oben
erwähnten Probleme nach dem Stand der Technik zu lösen und einen
verbesserten optischen Scanner zu schaffen.
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Die vorliegende Erfindung sieht einen optischen Scanner zum
Ablenken eines von einer Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls
und Abtasten eines Empfangsmediums mit einer
Ablenkeinrichtung zum Ablenken des Lichtstrahls über einen vorbestimmten
Winkel und einer optischen Einrichtung, deren optische Achse
zwischen der Ablenkeinrichtung und dem Empfangsmedium
verläuft und die ein erstes Linsenelement, ein zweites
Linsenelement und einen zylindrischen Spiegel umfaßt, der
senkrecht zur Abtastrichtung konkav ausgebildet und längs der
optischen Achse angeordnet ist, wobei das zweite
Linsenelement zwei zylindrische Flächen besitzt, dadurch
gekennzeichnet, daß das erste Linsenelement zwei sphärische Oberflächen
besitzt und schwach positiv ist, daß die erste zylindrische
Fläche des zweiten Linsenelements eine positive Brechkraft
in Abtastrichtung besitzt und daß die zweite zylindrische
Fläche des zweiten Linsenelements eine negative Brechkraft
sennkrecht zur Abtastrichtung besitzt.
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In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird ein Laserstrahl mit einem drehbaren Polygon über
einen vorbestimmten Winkel abgelenkt, und ein
konkavzylindrischer Spiegel ist zwischen dem Polygon und einem
Empfangsmedium angeordnet. Zwei Brechungslinsenelemente zum
Abtasten sind im Strahlengang zwischen dem Polygon und dem
zylindrischen Spiegel angeordnet; eines der Linsenelemente
besitzt zwei sphärische Oberflächen und das andere
Linsenelement orthogonale zylindrische Oberflächen. Ein von einer
Lichtquelle einfallender Strahl wie z.B. ein Diodenlaser
tritt durch eine strahlformende Optik und trifft auf das
drehbare Polygon. Nachdem der Strahl vom Polygon reflektiert
wurde, tritt er durch die beiden Brechungslinsenelemente und
wird dann von einem Planspiegel auf den zylindrischen
Spiegel gelenkt. Der zylindrische Spiegel lenkt den Strahl auf
das Empfangsmedium.
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Einer der Hauptvorteile des erfindungsgemäßen optischen
Scanners ist die Tatsache, daß er ein Bild sehr hoher
Auflösung erzeugt. Der Scanner besitzt eine sehr hohe
tangentiale Bildfeldebnung, und der Laserstrahl ist am
Empfangsmedium sowohl in Abtastrichtung als auch senkrecht zur
Abtastrichtung klein genug, daß sich der Scanner zur Erzeugung
von qualitativ guten Rasterbildern eignet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt, die eine perspektivische Ansicht des
erfindungsgemäßen optischen Scanners zeigt, und werden im
folgenden näher beschrieben.
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Die Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäß aufgebauten
optischen Scanner 10. Der Scanner 10 umfaßt einen Diodenlaser
12, der als Lichtquelle dient, eine Kollimatorlinse 14,
einen Strahlaufweiter 16, ein Strahlformungssystem 18, ein
drehbares Polygon 20 und ein optisches System zwischen dem
Polygon 20 und einem Empfangsmedium 24. Das
Strahlformungssystem 18 besitzt eine sphärische Linse 17, eine positive
Zylinderlinse 19, eine negative Zylinderlinse 27 und einen
Planspiegel 25 zwischen den Linsen 19 und 27. Das optische
System 22 ist längs einer optischen Achse 23 angeordnet und
besitzt zwei Brechungslinsenelemente 30 und 32 und einen
zylindrischen Spiegel 34. Außerdem besitzt das optische
System 22 einen Planspiegel 36, der zwischen dem
Linsenelement 32 und dem Spiegel 34 den Lichtstrahl umlenkt.
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Das Linsenelement 30 ist ein dickes Meniskuslinsenelement
mit zwei sphärischen Oberflächen 40 und 42. Die Oberfläche
40 hat eine negative Brechkraft und die Oberfläche 42 eine
positive Brechkraft. Die Brechkraft des Elements 30 ist nur
schwach positiv. Das Linsenelement 32 besitzt zwei
zylindrische Flächen 46 und 48, deren jeweilige Zylinderachsen
(nicht abgebildet) im rechten Winkel zueinander angeordnet
sind; außerdem sind die beiden Achsen im rechten Winkel zur
optischen Achse 23, die vom ersten Linsenelement 30
definiert ist. Die Fläche 46 des Linsenelements 32 besitzt eine
positive zylindrische Brechkraft in Abtastrichtung. Die
Fläche 48 des Elements 32 hat eine negative zylindrische
Brechkraft senkrecht zur Abtastrichtung. Somit ist die
Brechkraft des Elements 32 in Abtastrichtung positiv und
senkrecht zur Abtastrichtung negativ. Der zylindrische
Spiegel 34 besitzt eine positive zylindrische Brechkraft
senkrecht zur Abtastrichtung, und die Achse des zylindrischen
Spiegels ist im rechten Winkel zur optischen Achse 23.
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Der Diodenlaser 12 erzeugt einen Infrarot-Laserstrahl 50,
der vom Strahlformungssystem 18 anamorphotisch geformt wird,
ehe er auf das Polygon 20 gelenkt wird. Senkrecht zur
Abtastrichtung erreicht der Strahl 50 in der Nähe einer
Facette 21 des Polygons einen
Strahleinschnürungs-Brennpunkt. In Abtastrichtung konvergiert der Strahl 50 zu einem
sich etwa 720 mm hinter dem Polygon 20 befindenden
Strahleinschnürungs-Brennpunkt. Somit wird der einfallende Strahl
in Abtastrichtung am Polygon nicht kollimiert, sondern hat
eine positive Vergenz. Nachdem der Strahl 50 vom Polygon 20
reflektiert wurde und durch die zwei Linsenelemente 30 und
32 getreten ist, wird er nochmals vom zylindrischen Spiegel
34 reflektiert und erreicht einen
Strahleinschnürungs-Brennpunkt am oder in der Nähe des Empfangsmediums 24. In
Abtastrichtung bleibt der Strahleinschnürungs-Brennpunkt innerhalb
eines Abstands von 0,13 mm vom Empfangsmedium über eine
Gesamtzeilenlänge von mehr als 330,2 mm (13 Zoll). Daher
weicht der berechnete Strahlradius, der nominell etwa 0,012
mm zu den Punkten hoch exp(-2) beträgt, in Abtastrichtung um
weniger als 5% ab. In der senkrecht zur Abtastrichtung
verlaufenden Richtung bleibt der Strahleinschnürungs-Brennpunkt
innerhalb eines Abstands von 0,35 mm vom Empfangsmedium 24,
und der Strahlradius, der nominell etwa 0,015 mm beträgt,
weicht in dieser senkrecht zur Abtastrichtung verlaufenden
Richtung um weniger als 10% ab. Diese Eigenschaften des
Laserstrahls 50 am Empfangsmedium 24 machen ihn für eine
Abtastung außergewöhnlich hoher Auflösung geeignet.
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Mit dem optischen Scanner 10 läßt sich eine Auflösung
erzielen, die zur Erzeugung eines Rasterbildes verwendet
werden kann, wie es beispielsweise durch Verwendung eines
Bildschirms (nicht abgebildet) mit etwa 6 Punkten pro mm
entstehen würde. Die Größe dieser gleichmäßig verteilten Punkte
bestimmt die scheinbare Graustufe des Bilds in irgendeinem
kleinen Bereich. Jeder Punkt könnte aus einer quadratischen
12 x 12-Anordnung von Minipixeln bestehen: in Wirklichkeit
hätte man etwa 70 Minipixel pro Millimeter sowohl in
Abtastrichtung als auch senkrecht dazu. Durch Regelung des
Leistungspegels des Laserstrahls 50 beim Schreiben jeder
Zeile werden diese Minipixel an- und abgeschaltet, wodurch
die scheinbare Größe jedes Punkts verändert wird. Die mit
der vorliegenden Erfindung erhaltenen Laserspotgrößen sind
mit ihrer Verwendung für diesen Zweck vereinbar.
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Der optische Scanner 10 ist außerdem so angepaßt, daß er das
System gegenüber den Auswirkungen kleiner
Pyramidalwinkelfehler auf den einzelnen Facetten 21 des Polygons 20
unempfindlich macht. Die Auswirkungen von
Pyramidalwinkelfehlern werden im Scanner 10 dadurch beseitigt, daß die
reflektierende Facette 21 mit dem Aufzeichnungsmedium 24
optisch konjugiert wird. Pyramidalwinkelfehler lenken den
reflektierten Strahl in der senkrecht zur Abtastrichtung
verlaufenden Richtung ab. Im allgemeinen führt dies dazu, daß
der Abtastspot auf dem Empfangsmedium 24 senkrecht zur
Abtastrichtung verschoben wird und eine als Streifenbildung
("Banding") bekannte Erscheinung hervorrufen kann, wenn der
Scanner zum "Schreiben" eines Bilds verwendet wird. (Beim
"Lesen" eines Bilds sind diese Verschiebungsfehler senkrecht
zur Abtastrichtung weniger von Bedeutung).
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Das Polygon 20 kann mit bekannten Herstellungsverfahren mit
Facetten-Pyramidalwinkelfehlern von weniger als 30
Bogensekunden hergestellt werden. Die Toleranz des Betrags des
resultierenden Zeilentrennungsfehlers senkrecht zur
Abtastrichtung zwischen benachbarten Abtastzeilen hängt zum Teil
von der Gesamt-Facettenzahl des Polygons und zum Teil vom
angenommenen Betrachtungsabstand ab. In der vorliegenden
Erfindung kann ein Polygon 20 mit acht Facetten 21 verwendet
und ein Betrachtungsabstand von mindestens 150 mm angenommen
werden. Mit einem derartigen Polygon und Betrachtungsabstand
erhält man eine Zeilentrennungstoleranz senkrecht zur
Abtastrichtung von 1,6% des durchschnittlichen Zeilenabstands.
Nimmt man etwa 70 Zeilen pro Millimeter an, beträgt diese
Toleranz 0,22 Mikrometer. Wie im folgenden gezeigt wird,
arbeitet der optische Scanner 10 im Rahmen dieser Toleranz.
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Außerdem wurde der optische Scanner 10 so konstruiert, daß
er die f-Θ-Bedingung korrigiert. Im Idealfall sollte die auf
dem Empfangsmedium 24 erzeugte Bildhöhe H direkt
proportional zum Abtastwinkel Θ sein:
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H = fΘ
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worin f eine der Brennweite des optischen Abtastsystems
entsprechende Konstante und Θ in Radianten angegeben ist.
Außerdem sollte die Lineargeschwindigkeit des Spots direkt
proportional zur Umdrehungsgeschwindigkeit des Polygons 20
sein:
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worin Ω die Umdrehungsgeschwindigkeit des Polygons in
Radianten/Sekunde ist.
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Jede Abweichung von der f-Θ-Bedingung führt eine
geometrische Verzerrung in das Bild ein und führt zu einer
Veränderung der Spotgeschwindigkeit. Eine Veränderung der
Spotgeschwindigkeit führt zu einer Veränderung der Energiedichte
oder Belichtung auf dem Empfangsmedium 24 und kann im Fall
eines Minipixels den Unterschied zwischen einem ein- oder
ausgeschalteten Zustand ausmachen. Es hat sich gezeigt, daß
der optische Scanner 10 eine geometrische Verzerrung von
weniger als 1% und eine Veränderung der Spotgeschwindigkeit
von weniger als 2,5% verursacht, was als hervorragende
Leistung gilt.
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Einzelheiten der Elemente des optischen Systems 22 sind in
Tabelle I angegeben.
TABELLE I
Fläche
Krümmung (mm&supmin;¹)
Dicke (mm)
Glas
Index bei 830 nm
Polygon
(Y-Achse)
(X-Achse)
Bild
(Reflexion)
Anmerkungen:
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1. Das Polygon hat acht Facetten und einen von Planfläche
zu Planfläche gemessenen Durchmesser von 120 mm.
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2. Der in Fig. 1 dargestellte Planspiegel 36 ist in
Tabelle I nicht enthalten.
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3. Die Fläche 35 ist ein reflektierenden zylindrischer
Spiegel, der um 16,786º zur optische Achse gekippt ist.
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4. Das Empfangsmedium befindet sich auf der
Bildoberfläche.
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In einem repräsentativen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung hat der Laserstrahl 50 eine Wellenlänge von
830 nm. Nimmt man den Abtastwinkel e mit Null an, wird der
einfallende Laserstrahl auf die Mitte einer Polygonfacette
21 gelenkt und bildet einen Winkel von 60 mit der optischen
Achse 23. Der Strahl wird von der Polygonfacette 21
reflektiert und bewegt sich dann entlang der optischen Achse 23.
Der einfallende Strahl 50 liegt in der Y-Z-Ebene
(Abtastebene). Am Schnittpunkt des Strahls 50 mit einer Facette 21
hat der Strahl folgende Parameter:
In Y-Richtung (Abtastrichtung)
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Strahlradius hoch exp(-2) = 7,7134 mm
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Wellenfront-Krümmungshalbmesser = 720 mm
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(d.h. konvergierender Strahl)
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Der Strahl wird an den Stellen hoch exp(-2) an der
Kollimatorlinse 16 gebündelt.
In X-Richtung (senkrecht zur Abtastrichtung)
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Strahlradius hoch exp(-2) = 0,0306 mm
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Wellenfront-Krümmungshalbmesser = -12,342 mm
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Der Strahl divergiert ab einer Strahleinschnürung im
Abstand von 0,94 mm vor dem Polygon 20. Der Strahl
wird nicht gebündelt.
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Die Einzelheiten des Laserstrahls 50 auf dem
Aufzeichnungsmedium 24 sind bei einem angenommenen Abtastwinkel Θ von
Null wie folgt:
In Y-Richtung (Abtastrichtung)
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Strahlradius hoch exp(-2) = 0,0119 mm (schließt
Bündelungseffekte aus)
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Wellenfront-Krümmungshalbmesser = unendlich (d.h. an
einer Strahleinschnürung)
In X-Richtung (senkrecht zur Abtastrichtung)
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Strahlradius hoch exp(-2) = 0,0153 mm
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Wellenfront-Krümmungshalbmesser = -2,8664 mm
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Der Strahl divergiert ab einer Einschnürung im
Abstand von 0,25 mm vor dem Bild.
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Die folgende, als Tabelle II bezeichnete Tabelle enthält
nähere Angaben zur Leistung des Systems.
TABELLE II
ABBILDUNGSFEHLER SENKRECHT ZUR ABTASTRICHTUNG BEI EINEM PYRAMIDALWINKELFEHLER VON
EXP(-2)-SPOTSURCHMESSER IN BILDEBENE IN
ABSTAND BILD-STRAHLEINSCHNÜRUNG IN
ABTASTWINKEL (GRAD)
X-RICHTUNG
Y-RICHTUNG
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Lt. Tabelle 2 tritt der größte Fehler senkrecht zur
Abtastrichtung bei einem Abtastwinkel von 23 auf, wo eine
Abweichung des Zeilenabstands von 0,000176 mm eintreten würde,
wenn eine Polygonfacette 21 um 30 Bogensekunden in einer
Richtung und die nächste Facette 21 um 30 Bogensekunden in
die andere Richtung gekippt würde. Dies liegt innerhalb der
geforderten Toleranz von 0,00022 mm, die nötig ist, um eine
Streifenbildung zu verhindern. Außerdem ist zu bemerken, daß
der Brennpunktfehler der Strahleinschnürung von der
Bildebene in Y-Richtung an allen Stellen unter 0,13 mm liegt.
Dies zeigt, daß die vom erfindungsgemäßen Scanner erzeugte
tangentiale Bildfeldebnung außerordentlich hoch ist. In
X-Richtung wurde die Strahleinschnürungsstelle zur Bildebene
bei -0,25 mm bei Θ = 0 angeordnet. Bei positiven und
negativen Werten von e bewegt sich die Strahleinschnürungsstelle
in Plusrichtung. Dieser Effekt läßt sich nicht verhindern,
ohne bewegliche optische Elemente einzuführen, und beruht
auf der Tatsache, daß sich die reflektierende Polygonfacette
21 entlang der optischen Achse bewegt, weil sich das Polygon
dreht.
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Wie vorstehend beschrieben, ist ein wesentliches Merkmal der
vorliegenden Erfindung die äußerst hohe Bildfeldebnung, die
im Scanner 10 erreicht wird. Ein Faktor, der hierzu
beiträgt, ist der zur optischen Achse 23 asymmetrische
Abtastwinkel Θ. In der eingangs erwähnten Patentanmeldung mit dem
Titel "Optischer Scanner" ist ein Scanner beschrieben,
dessen Abtastwinkel zur optischen Achse symmetrisch ist. In
diesem Scanner wird der Drehungsmittelpunkt des Polygons
etwas aus der optischen Achse in einer zu einer Facette
parallelen Richtung verschoben, wenn diese auf einen
Abtastwinkel von Θ = 0 ausgerichtet ist, um zu verhindern, daß der
Strahl über die Hinterkante der Facette hinaustritt. Bei der
vorliegenden Erfindung findet diese Verschiebung nicht
statt. Statt dessen wird der Abtastwinkel asymmetrisch
angeordnet. Der Winkel Θ reicht von -31º bis +23º, d.h. über
einen Gesamtwinke1bereich von 54º, um ein Zeilenbild mit
einer Nennlänge von 330,3 mm (etwa 13 Zoll) abzutasten. Das
Polygon 20 dreht sich während des Abtastens über einen
Winkel von 27º. Am Polygon 21 liegen sich die acht Facetten 21
jeweils in einem Winkel von 45º gegenüber; daher ist das
Tastverhältnis des Polygons 0,6.