DE3522289A1

DE3522289A1 - Gradientenlinsenelemente verwendendes optisches abbildungssystem

Info

Publication number: DE3522289A1
Application number: DE19853522289
Authority: DE
Inventors: Haruhisa Yokohama Kanagawa Honda; Michitaka Kawasaki Kanagawa Setani; Mitsuhiro Chigasaki Kanagawa Tokuhara; Hiroaki Tsuchiya
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-06-22
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1986-01-02
Also published as: GB2162655A; US4719488A; JPS617817A; GB8515922D0; GB2162655B

Description

Gradientenlinsenelemente verwendendes optisches

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abbildungssystem, das Gradientenlinsenelemente verwendet und insbesondere auf ein optisches Abbildungssystem, das als optisches System für eine Büromaschine, wie beispielsweise ein Kopiergerät oder ein Faksimilegerät geeignet ist.

In dem optischen System einer Büromaschine, wie beispielsweise eines Kopiergerätes oder eines Faksimilegerätes fand bisher ein zweiäugiges optisches System mit aufrecht stehender eins-zu-eins Vergrößerung, wie beispielsweise Celfoc (Handelsname eines Produktes der Japan Plate Glass Co., Ltd.) als optisches Abbildungssystem anstelle eines einzelnen sphärischen Linsensystems Verwendung , wodurch eine kleine bzw. kompakte Bauweise des Gerätes erreicht wurde. Wenn solche Gradienter.linserieler.ente d.h. optische Elemente mit einem sog. radialen Brechzahlgefälle, die ein in radiale Richtung um die optische Achse

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symetrisehen Brechzah 1 p,e f al 1 e aufwM.son, roi honf onni p, angeordnet werden, werden üblicherweise zwei Reihen von Gradientenlinsenelementen unmittelbar nebeneinander in versetzt angeordnete Beziehung zueinander angeordnet, P- wie in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 9230/1984 dargestellt ist, um die Unregelmäßigkeit der Lichtmenge auf der Abbildungsebene auszuschließen. Die Verwendung von mehreren reihenförmigen Anordnungen führt jedoch zu einer Vergrößerung der Anzahl von cptisehen Elementen und damit zu einer Verteuerung des Gerätes und erfordert desweiteren bein Zusammenbau einen sehr hohen Grad von Genauigkeit, '.vas in der Folge zu Schwierigkeiten bei der Herstellung führt.

Aus diesem Grunde wurde gefordert, eine Vielzahl von 15

Gradientenlinsenelementen in einer Reihe anzuordnen, um ein optisches Abbildungssystem rr.it aufrecht stehender eins-zu-eins Vergrößerung herzustellen. Einen Bericht über Untersuchungen der Unregelmäßigkeit der Lichtmenge bei Verwendung eines solchen optischen Abbildungssystems enthält "Optics", Ausgabe 10, Nr. 2 vorn April 1981, auf Seite 111. Das Abbildungssystem einer Konstruktion, in der Gradientenlinsenelemente in einer Reihe wie zuvor dargestellt angeordnet sind und in dem zuvor erwähnten

Bericht enthalten sind, ist jedoch nicht besser als eine 25

reine Studie und ist noch weit entfernt vor. eir.er praktischen Anwendung. Dies ist, wenn beispieIsweise solch ein optisches Abbildungssystem zu einer praktischer. Anwendung kommt, darin begründet, daß bei Anordnung der

optischen Elemente in einer Reihe das Problem der Unzu-30

länglichkeit der Lichtmenge zusätzlich zu der Unregelmäßigkeit der Lichtmenge anwächst.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, Gradientenlinsenelemente zu schaffen, die jegliche Unregel-

mäßigkeit der Lichtmenge ausschließen und in der Abbildungsebene das Erlangen einer ausreichenden Lichtmenge ermögl ichen . _ßAD ORIGINAL

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Desweiteren soll die Erfindung ein optisches Abbildungssystem schaffen, das unter dem Auftreten von Aberration wenig leidet und leicht herzustellen ist.

° Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optisches Abbildungssystem gelöst, bei dem der Öffnungswinkel der Gradientenlinsenelemente, welches die das optische Ab-

bildungssystem bildenden optischen Elemente sind, 9
oder größer beträgt und der Grad der Überlagerung M von

¹^ Abbildungen auf der Lichtempfangsfläche sich ergibt aus M = 2,75 + 0,5x. Der Grad der Überlagerung M von Abbildungen ist dargestellt durch M = X_n/D, wobei D der Flankendurchmesser der optischen Elemente ist und X_n deren Bildfeldradius ist. Ferner ist χ = 0 oder eine größere ganze Zahl.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Gradientenlinsenelement, wie es in dem optischen Abbildungssystem gemäß der Erfindung verwendet wird,

Fig. 2 die Unregelmäßigkeit der Intensität der Beleuchtung einer Abbildung durch ein dcppeläugiges Abbildungssystem, das von ir. einer Reihe angeordneten Gradientenlinsenelerr.er.ten gebildet ist,

Fig. 3 den Grad von Überlagerung H und der Unregelmäßigkeit der Intensität der Beleuchtung Jl in dem doppeläugigen optischen Abbildungssystem, das von in -einer Reihe angeor ir.eten Gradier.tenlinsen -

elemente gebildet ist.
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Fig. 4 die Beziehung zwischen den Grad der Überlagerung F und der Kontrastübertragungsfunktior. in dem doppeläugigen optischen Abbildungssystem, das von in einer Reihe angeordneten Gradientenlinsenelementen gebildet ist,

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispieles eines Kopiergerätes, bei dem das optische Abbildungssystem gemäß der Erfindung Verwendung findet.

Fig. 1 stellt ein Gradientenlinsenelernent 1 dar, das ein Brechzahlgefälle in senkrechter Richtung zu einer optischen Achse 00' aufweist, v/obei die optische Achse gleich der Mittellinie ist. Mit 2 wird eine Objektfiache bezeichnet und mit 3 eine Abbildungsebene, die in einer bezüglich des optischen Elementes 1 optisch zugeordneten Position angeordnet ist und eine Abbildungsvergrößerungsbeziehung von eins-zu-eins aufweist. Z ist die Länge des optischen Elementes 1 in Richtung der optischen Achse, D ist der Flankendurchmesser des optischen Elementes 1 und £ _ ist der Zwischenraum zwischen dem optischen Element 1 und der Objektfläche 2 oder zwischen derr, optischen Element 1 und der Abbildungsebene 3. Ein Lichtstrahl 4 zeigt einen einfallenden Lichtstrahl mit einem maximalen Bildwinkel Q von der Objektflä?he abgebildet in der Abbildungsebene 3 durch das optische Element 1, wobei die Höhe von der optischen Achse in der dieser Lichtstrahl die Abbiidungsebene 3 schneidet, d.h. der Bildfeldradius, mit X₀ bzeichnet ist. Dieser Winkel θ wird der Öffnungswinkel des optischen Elementes genannt.

Fig. 2 zeigt den Zustand der Verteilung der Licht-.enge in der Abbildungsebene, wenn die optischen Elemente 1 in einer Reihe angeordnet sind. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, werden die Lichtstrahlen von den entsprechenden optischen Elementen 1 auf der Abbiidungsebene abgebildet,

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^ wobei sie ^ ich gegenseitig überlagern. Der Grad der Überlagerung M wird dargestellt durch

H = X_o/D.
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Ebenso tritt eine Unregelmäßigkeit der LichtTienge auf, da eine Anzahl von Lichtstrahlen abgebildet v/erden, während sie sich gegenseitig überlagern. Wenn iie Lichtmenge in dem hellsten Bereich I max ist und die Lichtmenge in dem dunkelsten Bereich I min ist, wird die Unregelmäßigkeit der Lichtmenge ΛΙ ausgedrückt durch

x- ^ ^max ~

I max ·

Die Beziehung zwischen der Unregelmäßigkeit der Lichtmenge Λ I und der Grad der Überlagerung H von Abbildungen, wenn solche Gradientenlinsenelemente in einer Reihe angeordnet sind, ist bekannt. Diese Beziehung ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 ist auf der Ordinate die Unre-

gelmäßigkeit der Lichtmenge Δ I und auf der Abszissen der Grad der Überlagerung M aufgetragen. Wie aus Fig. 3 deutlich wird, kann die Unregelmäßigkeit der Lichtmenge ausreichend klein gemacht werden, indem der Grad von Überlagerung M in der Nähe von M = 2,75 + 0, 5x gewählt

wird, wobei χ = 0 oder eine größere ganze Zahl ist. Jedoch ist vorzugsweise der Grad der Überlagerung in der Nähe von M = 2,75 und 3,25 vorzusehen. Dies bedeutet, daß selbst wenn M einen größeren Wert annimmt, die Unregelmäßigkeit der Lichtmenge ΛI nicht so klein wird, und

wenn M größer wird, der Wert des Bildwinkels θ größer wird und folglich zur Erzielung einer Abbildung durch optische Elemente der gleichen Länge Z und des gleichen Flankendurchmessers D es notwendig wird, den einfallenden Lichtstrahl scharf zu beugen, was folglich zum Auftreten von Aberration führt. Ferner müssen die optischen Elemente mit einem Brechzahlgefälle von einem steilen Gradienten versehen werden, dies ist schwierig herzustellen.

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Desweiteren ist das Auf löocvemögen mehr oder minder verschlechtert, wenn M größer wird, und deshalb ist ein Wert in der Nähe von M = 2,75 oder 3,25 wünschenswert. Die Beziehung zwischen dem Grad der Überlagerung M und " dem Auflösevermögen ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 zeigt den Wert der Kontrastübertragungsfunktion bei einer Wellenlänge von 580 nm und einem Öffnungswinkel von 11°, wobei in Fig. 4 auf der Ordinate die Kontrastübertragungsfunktion und auf der Abszisse der Grad der Überlagerung M dargestellt ist. Wie aus Fig. 4 deutlich wird, nimmt die Kontrastübertragungsfunktion allmählich ab, während der Grad der Überlagerung M ansteigt.

Der Öffnungswinkel θ wird im folgenden beschrieben. Wenn ein optisches Abbildungssystem dieser Art in einer Büromaschine verwendet wird, speziell in einer Kopiermaschine, muß üblicherweise der entsprechende F-Wert von bekannten Linsensystemen mindestens 5 betragen. Die Bedingung für den Öffnungswinkel θ kann aus den folgenden Gleichungen entnommen werden, die die Helligkeit eines Lichtübertragungselementes dieser Art entsprechend dem zuvor erwähnten F-Wert darstellen:

mit

3 . H . sinK

K = cos"¹ (- -^)

Aus diesen Gleichungen ergibt sich die Notwendigkeit,

daß bei dem zuvor erwähnten Grad der Überlagerung M der Öffnungswinkel θ wenigstens 9 beträgt. Wenn der Grad der Überlagerung M zu M = 2,75 berechnet ist und F = 4,5, dann beträgt der Öffnungswinkel ö 10,2 und wenn der Grad von Überlagerung M zu M = 3,25 berechnet ist und F = 4,5, dann beträgt der Öffnungswinkel θ 11,1°. Wenn der Öffnungswinkel 0 zu groß ist, v/ird ebenso die Abbildungstiefe flach und sogar eine leichte Ablenkung

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wird die Abbildung auf der Abb ildunft.scbene unscharf machen .

Folglich ist vorzusehen, daß unter Berücksichtigung des

zuvor erwähnten Grades von Überlagerung M der V/ert des

Öffnungswinkels θ vorzugsweise zwischen 9° < Q 4 13° liegt.

In diesem Ausführungsbeispiel wird, wie zuvor beschrieben wurde, durch Festlegen von geeigneten Vierten des Grades der Überlagerung M und des öffnungswinkels, eine gute Abbildungscharakteristik erzielt, auch in einem optischen Abbildungssystem, bei dem Gradientenlinsenelemente in einer Reihe angeordnet sind. Um den Grad der jg Überlagerung M auf einem vorbestimmten Wert zu halten, wird von der durch folgende Gleichung dargestellten Beziehung

H = X_o/D = - I see ( ^- Z ),

3ie Schwankung (Unregelmäßigkeit) der Gradientenkonstante A des optischen Elementes durch die Länge Z der Elemente geregelt, wodurch M auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann. Bei Verwendung der Länge Z der Elemente zum Erhalten des Grades der Überlagerung M auf einem vorbestimmten V/ert, ist eine v:n dem herkömmlichen P.egu-1ierungsverfahren unterschiedliche Regelung notwendig
bei Kopiergeräten. Das ist bei herkömmlichen Kopiergeräten, die eine linienförmige Gradientenlinsenanordnung verwenden, das Regelverfahren, um die Oberfläche eines Originales und eines lichtempfindlichen Mediums in einer optisch zugeordneten Beziehung zu halten, wobei das Regeln durch Ändern der Länge Z des opitschen Elementes ohne Ändern des bereits festgelegten Abstandes zwischen der Oberfläche des Originals und des lichtempfindlichen

gg Mediums ausgeführt wird. Folglich ist es bei solch einem Regelverfahren unmöglich, der. Grad der Überlagerung M konstant zu halten. In der Erfindung wird die Länge Z des optischen Elementes nur dazu benutzt, den Grad der

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Überlagerung M auf einem vorboöiimmlen Wert zu halten, und die Regelung zum Halten der optischen Zuordnung zwischen dem Objekt und der Abbildung wird mechanisch vollzogen, indem die Länge des Strahlenganges reguliert ° wird. Jegliche Reduzierung der Auflösung wird bei solch einer Regelung keine Probleme aufstellen.

Fig. 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, bei dem das opti-

¹^ sehe Abbildungssystem gemäß der Erfindung auf ein Kopiergerät angewandt ist. In Fig. 5 ist mit 11 ein zu kopierendes Original bezeichnet und mit 12 eine das Original tragende Originalauflage, die in die Richtungen eines zweiseitigen Pfeiles A. bewegbar ist. Eine Beleuchtungseinrichtung 13 wird von einer stabförmigen Lichtquelle und einem Reflektor gebildet. Die Beleuchtungseinrichtung 13 beleuchtet die Oberfläche des Originals spaltenförmig. Mit 14 ist ein aufrecht stehendes optisches Abbildungssystem mit einem Vergrößerungsverhältnis von eins-zu-eins bezeichnet und mit 15 eine lichtempfindliche Trommel. Das optische Abbildungssystem 14 bildet auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Trommel 15 ein aufrecht stehendes Bild in der Vergrößerung eins-zu-eins des Originals 11, das von der Beleuchtungseinrichtung 13 spaltenförmig beleuchtet ist. Die Drehung der lichtempfindlichen Trommel 15 und die Bewegung der Originalauflage 12 wird synchron zueinander ausgeführt und die Abbildung des Originals 11 ist auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Trommel 15 abgebildet. Das auf der Oberfläche der lichtempfindlicher. Trommel 15 erzeugte Bild wird durch einen bekannten Prozeß sichtbar gemacht (nicht dargestellt).

Bei dem optischen Abbildungssystem Ptemäß der Erfindung wird eine gute Abbildung durch Gradientenlinsenelemente erzielt, die in nur einer Reihe angeordnet sind, wobei die Anordnung in nur einer Reihe ausreicht. Dies führt

zu der Möglichkeit ein Gerät vorzusehen, bei den der Grad der Anforderungen an die Herstellgenauigkeit verringert ist und das nicht teuer ist.

° In einem optischen Abbildungssystem beträgt der Öffnungswinkel von Gradientenlinsenelementen, die ein optisches Abbildungssystem bildende optische Elemente sind, 9 ist oder größer und der Grad der Überlagerung M von Abbildungen auf der Lichtempfangsfläche ist M = 2,75 + 0, 5x. ¹^ Der Grad der Überlagerung M von Abbildungen v/ird dargestellt durch M = X_Q/Di wobei D der Flankendurchmesser der optischen Elemente und X_Q deren Bildfeldradius ist. Und χ ist 0 oder eine größere ganze Zahl.

Claims

Patentansprüche

1. Optisches Abbildungssystem, das Gradientenlinsenelemente verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Abbildungssystem die Abbildung eines Objektes (11) auf einer Lichtempfangsfläche (15) erzeugt, v/obei das optische System von einer Vielzahl von in Reihenforrr. angeordneten optischen Elementen (1) mit einer aufrecht stehenden eins-zu-eins Vergrößerung und radialem Brechzahlgefälle gebildet wird, wobei der Öffnungswinkel Θ der optischen Elemente (1) 9° oder größer beträgt und der Flankendurchmesser jedes optischen Elementes (1) mit D sowie der Bildfeldradius davon mit X_ bezeichnet ist und der Grad der Überlagerung M der von den optischen Elementen (1) auf der Lichtempfangsflache (15) erzeugten Abbildungen des Objektes (11) mit Xq/D definiert ist, wobei M einen Wert annimmt von annähernd M = 2,75 + 0,5x, mit x=0 oder eine größere ganze Zahl.

2. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Bildwinkels Q in einem Bereich von 9° <_ Q < 13° liegt.

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L/13

Dey'sche Bank !Manchen) Kto. 286 '560

C^eikS^I (VCncfe"! K!o 670-43-804

3. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert M in einem Bereich um 2,75 oder 3,25 liegt.

4. Kopiergerät, gekennzeichnet durch

eine Auflageeinrichtung (12) zum Tragen eines Originals (11) darauf,

eine Beleuchtungseinrichtung (13) zum Beleuchten des Originals (11),

ein optisches System (14) zum Erzeugen einer Abbildung des Originals (11) auf einer lichtempfindlichen Trommel (15), wobei das optische System (14) von einer Vielzahl von in einer Reihe angeordneten optischen Elementen (1) mit radialem Brechungsgefälle, sog. Gradientenlinsenelementen , mit aufrecht stehender eins-zu-eins Vergrößerung gebildet wird, wobei der Öffnungswinkel Q der optischen

Elemente (1) 9° < Q < 13° ist und der Flankendurchmesser jedes optischen Elementes (1) mit D sowie der Bildfeldradius davon mit X_ bezeichnet ist und der Grad der Überlagerung M der von den optischen Elementer. (1) auf der Lichtempfangsfläche (15) erzeugter. Abbildungen des Origi-

nals (11) mit X_Q/D definiert ist, wobei M einer. Wert annimmt von annähernd M = 2,75 - C-, 5x, mit χ = 0 oder eine größere ganze Zahl.

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