DE4403549A1

DE4403549A1 - Laserabtastvorrichtung und Abtastlinse

Info

Publication number: DE4403549A1
Application number: DE4403549A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Mochizuki; Susumu Saito
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Etria Co Ltd
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 1994-08-18
Anticipated expiration: 2014-02-05
Also published as: JP3269159B2; JPH06230307A; US5701190A; DE4403549B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserabtastvorrichtung (Scanner) und ein Abtastlinsensystem, welches hierbei verwendet werden soll. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Laserscanner, der zur Verwendung bei einem Laserdruckersystem für hochauflösenden Druck geeignet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Abtastlinsensystem, welches zusammen mit einem derartigen Laserscanner verwendet werden soll.

Konventionelle Laserdruckersysteme verwenden die Kombination eines Abtastlinsensystems und eines sich drehenden Polygonalspiegels, der als Lichtablenkvorrichtung dient. Der Polygonalspiegel lenkt einen Laserstrahl so ab, daß dieser die Oberfläche einer Photorezeptortrommel abtastet.

Der Wunsch nach der Erzeugung von Bildern mit höherer Auflösung auf Laserdruckersystemen nimmt heutzutage ständig zu. Um diesen Wunsch nach einer höheren Bildauflösung zu erfüllen, ist es unbedingt erforderlich, daß ein kleiner Punkt eines stabilen Laserstrahls über dem gesamten Abtastbereich erzeugt wird.

Es hat verschiedene Vorschläge zur Erfüllung dieser Anforderungen gegeben, und ein Vorschlag besteht in der Verwendung mehrerer sphärischer Linsen und einer länglichen Zylinderlinse beim Aufbau eines Abtastlinsensystems zur Verwendung mit einem Laserscanner, welches zum Einsatz bei einem Laserdruckersystem geeignet ist.

Eine Schwierigkeit bei diesem Vorschlag besteht darin, daß die Krümmung einer Bildoberfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung in Reaktion auf die Änderungen, die bezüglich des Einfallwinkels eines Laserstrahls auf die längliche Zylinderlinse auftreten, in Abhängigkeit vom Ort seiner Ablenkung, nicht berücksichtigt wurden. Eine mit diesem Vorschlag zusammenhängende Vorgehensweise ist in der japanischen Veröffentlichung einer ungeprüften Patentanmeldung (Kokai) Nr. Sho 50-93720 beschrieben.

Ein weiterer Vorschlag zur Verbesserung des Abtastlinsensystems zur Verwendung mit einem Laserscanner, welches zum Einsatz bei einem Laserdruckersystem geeignet ist, besteht in der Verwendung einer torischen Linse. Dieser Vorschlag ist insoweit bemerkenswert, daß er zu kleineren Abmessungen des Laserdruckersystems beiträgt, und darüber hinaus die Krümmung einer Bildoberfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung kleiner gewählt werden kann als im Falle der Verwendung einer länglichen Zylinderlinse. Dieser Vorteil der Verringerung der Feldkrümmung in einer Richtung normal zur Abtastrichtung war allerdings begrenzt, da die torische Linse einen festen Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung aufweist. Eine sich auf diesen Vorschlag beziehende Vorgehensweise ist in der japanischen Veröffentlichung einer ungeprüften Patentanmeldung (Kokai) No. Sho 57-35825 beschrieben.

Ein weiterer Vorschlag zur Verbesserung des Abtastlinsensystems zur Verwendung bei einem Laserscanner, welches zum Einsatz bei einem Laserdruckersystem geeignet ist, besteht in der Verringerung der Feldkrümmung in einer Richtung normal zur Abtastrichtung auf einen Minimalpegel durch Verwendung einer Linse, welche eine asphärische, nicht rotationssymmetrische Oberfläche aufweist, deren Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung entsprechend der Position der Laserstrahlablenkung variiert. Allerdings bringt dieser Vorschlag den Nachteil mit sich, daß die verwendete Linse eine derartige Form aufweist, daß der Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung kontinuierlich variiert, und daß daher die Linse empfindlicher für Bearbeitungsfehler ist als die voranstehend genannte torische Linse, die einen festen Krümmungsradius aufweist. Darüber hinaus wurde bei diesem Vorschlag nicht die Krümmung einer Bildoberfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung infolge der Bearbeitungsfehler berücksichtigt, die bezüglich des Krümmungsradius auftreten.

Eine sich auf diesen Vorschlag beziehende Vorgehensweise ist in der japanischen Veröffentlichung einer ungeprüften Patentanmeldung (Kokai) No. Sho 62-26561 beschrieben.

Die voranstehend beschriebenen, konventionellen Laserscanner, die zum Einsatz bei Laserdruckersystemen geeignet sind, wiesen die Schwierigkeit auf, daß beim Auftreten einer Krümmung der Bildoberfläche infolge der Abtastlinse der Punktdurchmesser des Laserstrahls, der auf die abzutastende Oberfläche fokussiert wurde, in solchem Ausmaß zunahm, daß kein kleiner Punkt eines stabilen Laserstrahls über den gesamten Abtastbereich erzeugt werden kann. Diese Schwierigkeit bezüglich des vergrößerten Punktdurchmessers des Laserstrahls führt unvermeidlicherweise zu einer Verringerung der Qualität von Drucken, die von dem Laserdruckersystem bei einem hochauflösenden Druck erzeugt werden.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten entwickelt, und ihr Ziel besteht in der Bereitstellung eines Laserscanners, der zur Verwendung bei einem Laserdruckersystem geeignet ist, und welcher eine geringere Krümmung der Bildoberfläche infolge der verwendeten Abtastlinse entwickelt, und einen kleinen Punkt eines stabilen Laserstrahls über den gesamten Abtastbereich erzeugt, um so einen hochauflösenden Druck zu ermöglichen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Abtastlinsensystems, welches bei diesem Laserscanner eingesetzt werden soll.

Das erste Ziel der vorliegenden Erfindung läßt sich durch einen Laserscanner zur Verwendung bei einem Laserdruckersystem erreichen, welcher es zuläßt, daß Lichtstrahlen von einer Laserlichtquelle ein Linienbild an einer reflektierenden Fläche einer Lichtablenkvorrichtung über ein ein Linienbild bildendes optisches Teil ausbilden, wobei die Strahlen des reflektierten Lichts von der reflektierenden Fläche durch ein Abtastlinsensystem fokussiert werden, um die abzutastende Oberfläche abzutasten, und das Abtastlinsensystem eine Zylinderlinse aufweist, die eine positive Brechkraft aufweist, und sich am nächsten Ort an der abzutastenden Oberfläche befindet, sowie eine asphärische Linse, bei welcher zumindest eine Oberfläche ein derartiges Profil aufweist, daß deren Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung vom zentralen Abschnitt zu jedem Endabschnitt hin zunimmt.

Das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung läßt sich durch ein Abtastlinsensystem zur Verwendung in einem Laserdrucker erzielen, welches die abzutastende Oberfläche durch fokussierte Lichtstrahlen abtastet, welche von einer Lichtablenkvorrichtung abgelenkt wurden, wobei das Abtastlinsensystem eine Zylinderlinse aufweist, die eine positive Brechkraft aufweist und sich am nächsten Ort an der abzutastenden Oberfläche befindet, und eine asphärische Linse aufweist, bei welcher zumindest eine Oberfläche ein derartiges Profil aufweist, daß ihr Krümmungsradius in eine Richtung normal zur Abtastrichtung vom zentralen Abschnitt aus zu jedem Endabschnitt hin zunimmt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ändert sich der Krümmungsradius der asphärischen Linse entsprechend der Position der Lichtablenkung auf solche Weise, daß er einschließlich der Feldkrümmung, die von der Zylinderlinse entwickelt wird, Null ist; in Abwesenheit von Fehlern des Krümmungsradius gibt es daher keine Feldkrümmung oder Krümmung der Bildoberfläche. Falls der Krümmungsradius der asphärischen Linse Fehler aufweist, so ist die Bildoberfläche gekrümmt. Das Abtastlinsensystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist jedoch zumindest die Zylinderlinse und die Linse auf, die eine nicht-rotationssymmetrische asphärische Oberfläche aufweist, und bei welcher der Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung sich entsprechend der Position der Lichtablenkung ändert, und unter Verwendung dieses Linsensystems kann man die Feldkrümmung verringern, die sich infolge von Fehlern des Krümmungsradius der asphärischen Linse in einer Richtung normal zur Abtastrichtung entwickelt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 die grundsätzliche Anordnung eines Laserscanners gemäß einer Ausführungsform der ersten Zielrichtung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des rotierenden Polygonspiegels, der bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 3 einen Graphen der Feldkrümmung in Abhängigkeit von der prozentualen Änderung der Brechkraft (α) infolge von Fehlern des Krümmungsradius einer asphärischen Linse in einer Richtung normal zur Abtastrichtung;

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung, wie sich eine Feldkrümmung infolge von Fehlern des Krümmungsradius einer asphärischen Oberfläche in einem konventionellen Abtastlinsensystem entwickelt;

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung, wie sich eine Feldkrümmung infolge von Fehlern des Krümmungsradius einer asphärischen Oberfläche bei dem Abtastlinsensystem entwickelt, welches bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 6 eine Darstellung, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das Abtastlinsensystem gebildet wird, welches bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 7 eine Darstellung, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das konventionelle Abtastlinsensystem erzeugt wird;

Fig. 8 eine Darstellung, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das Abtastlinsensystem bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform gebildet wird, in einem Fall, in welchem dessen Krümmungsradius einen Fehler aufweist;

Fig. 9 eine Darstellung, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das konventionelle Abtastlinsensystem erzeugt wird, in einem Fall, in welchem dessen Krümmungsradius einen Fehler aufweist;

Fig. 10 eine Darstellung, wie sich eine Feldkrümmung in dem Abtastlinsensystem entwickelt, welches bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verwendet wird; und

Fig. 11 eine Darstellung, wie sich eine Feldkrümmung in dem konventionellen Abtastlinsensystem entwickelt.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein optisches Teil, welches ein Linienbild erzeugt; 3 ist ein sich drehender Polygonspiegel, der als Lichtablenkvorrichtung dient; 4 ist ein Abtastlinsensystem; 11 ist die Oberfläche einer Photorezeptortrommel, die abgetastet werden soll (die nachstehend einfach als "die abzutastende Oberfläche" bezeichnet wird); 12 ist eine Kollimatorlinse; 20 ist ein Abtaststrahl; 22 ist eine Laserlichtquelle; 33 ist eine reflektierende Fläche des sich drehenden Polygonspiegels 3; 42 ist eine asphärische, nicht-rotationssymmetrische Linse, deren Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung sich entsprechend des Ortes der Strahlablenkung ändert; und 43 ist eine Linse, die aus einer zylindrischen Oberfläche und einer ebenen Oberfläche besteht. Diese Bauteile bilden zusammen einen Laserscanner.

Wie in Fig. 1 gezeigt, werden die von der Laserlichtquelle 22 ausgesandten Abtaststrahlen beim Durchgang durch die Linse 12 kollimiert. Das ein Linienbild erzeugende optische Teil 1 ist auf solche Weise vorgesehen, daß es auf die Strahlen nur in der Richtung eines Pfeils Y einwirkt, nämlich in der Richtung normal zu einer ebenen Oberfläche, welche die kollimierten (parallelen) Strahlen einschließt. Durch diese Anordnung läßt der sich drehende Polygonspiegel 3 eine Fokussierung der Strahlen in der Y-Richtung auf der reflektierenden Fläche 33 zu.

Hierbei wird darauf hingewiesen, daß die reflektierende Fläche 33 und die abzutastende Oberfläche 11 in einer Beziehung konjugierter optischer Strahlen stehen, in Beziehung auf eine Richtung normal zur Abtastrichtung.

Das Abtastlinsensystem 4, welches eine Strahlabtastung auf der Photorezeptortrommel 4 durchführt, welche die abzutastende Oberfläche bereitstellt, besteht aus drei Linsenelementen. Ein Element 41, welches am nächstgelegenen Ort am Polygonspiegel 3 liegt, umfaßt eine sphärische Linsenoberfläche; das zentrale Element 42 weist sowohl eine ebene Oberfläche als auch eine asphärische, nicht- rotationssymmetrische Oberfläche auf, deren Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung sich entsprechend der Position der Strahlablenkung ändert (wobei dieses Element nachstehend als eine "asphärische Linse" bezeichnet wird); und ein Element 43, welches sich am weitesten von dem Polygonspiegel 3 entfernt befindet und aus einer zylindrischen und einer ebenen Linsenoberfläche besteht (wobei dieses Element nachstehend als "Zylinderlinse" bezeichnet wird).

Dieses Abtastlinsensystem 4 kann die parallelen Strahlen auf die abzutastende Oberfläche 11 fokussieren, soweit die Bilderzeugung in der schnellen oder Hauptabtastrichtung (durch einen Pfeil X bezeichnet) betroffen ist.

Das ein Bild erzeugende optische Teil 1 und das Abtastlinsensystem 4 können die Werte aufweisen, die nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt sind.

Tabelle 1

In Tabelle 1 sind die Oberflächen (1) und (2) die Linsenoberflächen des ein Linienbild erzeugenden optischen Teils 1, die Oberfläche (3) ist die reflektierende Fläche 33 des Polygonspiegels 3, die Oberflächen (4) bis (10) sind die Linsenoberflächen des Abtastlinsensystems 4, und die Oberfläche (11) ist die abzutastende Oberfläche 11.

Weiterhin bezeichnet in Tabelle 1 R den Krümmungsradius, gemessen auf der optischen Achse in der Abtastrichtung; r bezeichnet den Krümmungsradius, gemessen auf der optischen Achse in einer Richtung normal zur Abtastrichtung; d bezeichnet den Raum zwischen Oberflächen; und n den Brechungsindex. Die Form der Oberfläche (8) ist durch die nachstehenden Gleichungen (A) und (B) gegeben, wobei die Z-Koordinate entlang der optischen Achse verläuft und positiv (+) in Richtung auf die abzutastende Oberfläche 11 ist. Die X- bzw. Y-Koordinate ist positiv (+) in der jeweiligen Richtung, die durch die zugehörigen Pfeile in Fig. 1 angegeben ist. Der Schnittpunkt einer einzelnen Linsenoberfläche und der optischen Achse ist gegeben durch X, Y, Z = 0.

wobei a, b und c Konstanten sind.

In Gleichung (A) bezieht sich d auf einen asymmetrischen Term, wie anhand der Abtastpunkte verdeutlicht ist, die nachstehend in Tabelle 2 angegeben sind. Alle anderen Positionen, die nicht in Tabelle 2 gezeigt sind, ergeben sich durch Polynom-Approximationen.

Tabelle 2

Fig. 2 zeigt Einzelheiten des sich drehenden Polygonspiegels 3, der bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Der Spiegel 3 weist acht reflektierende Flächen auf. Der einbeschriebene Kreis hat einen Radius W von 32,5 mm; der Strahleinfallswinkel β beträgt 60°; und die Lageverschiebung gegenüber dem Drehzentrum beträgt 1,36 mm.

Das ein Linienbild erzeugende optische Teil 1 und das Abtastlinsensystem 4, können die nachstehend in Tabelle 3 angegebenen Werte aufweisen, wenn sie entsprechend dem Stand der Technik hergestellt sind.

Tabelle 3

Die Form der Oberfläche (8) ergibt sich anhand der nachstehenden Gleichungen (A) und (B):

hierbei sind a, b und c Konstanten. In Gleichung (A) betrifft d einen asymmetrischen Term, der durch die Abtastpunkte verdeutlicht wird, die nachstehend in Tabelle 4 angegeben sind. Alle anderen in Tabelle 4 gezeigten Positionen ergeben sich durch Polynom-Approximationen.

Die Form und Anordnung des sich drehenden Polygonspiegels 3 sind ebenso wie in Fig. 2 im Zusammenhang bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Tabelle 4

In Fig. 3 sind die Absolutwerte der Feldkrümmung F in Abhängigkeit von der prozentualen Änderung der Brechkraft (α) infolge von Fehlern des Krümmungsradius einer asphärischen Linse in einer Richtung normal zur Abtastrichtung aufgetragen. In Fig. 3 stellt die durch die Bezugsziffer 50 bezeichnete, durchgezogene Linie die Absolutwerte der Feldkrümmung F bei der vorliegenden Ausführungsform dar, und die gestrichelte Linie 60 zeigt die Absolutwerte von F beim Stand der Technik. In beiden Fällen nimmt der Absolutwert der Feldkrümmung mit steigender prozentualer Änderung der Brechkraft der asphärischen Linse zu; allerdings sind die Werte für die vorliegende Ausführungsform nur etwa ein Achtel so groß wie die Werte beim Stand der Technik.

Das Linsensystem, welches als Abtastlinse eine torische Linse verwendet, weist eine zusammengesetzte Hauptebene nahe bei der torischen Oberfläche auf und kann daher als Äquivalent des Falls nach dem Stand der Technik, der durch die Linie 60 dargestellt ist, angesehen werden.

Die Funktion des Laserscanners gemäß der Ausführungsform mit dem voranstehend beschriebenen Aufbau wird nachstehend mit der Funktion des Laserscanners mit einem Aufbau nach dem Stand der Technik verglichen. In der nachstehenden Beschreibung wird der Scanner, bei welchem das Abtastlinsensystem 4 aus der Zylinderlinse 43, der asphärischen Linse 42, usw. gemäß Fig. 1 besteht, als System gemäß der vorliegenden Ausführungsform bezeichnet, wogegen der Scanner, bei welchem das Abtastlinsensystem 4 aus der Linse 44 besteht, welche eine asphärische, nicht rotationssymmetrische Oberfläche aufweist, deren Krümmungsradius r in einer Richtung normal zur Abtastrichtung sich entsprechend der Richtung der Strahlablenkung wie beim Stand der Technik ändert, jedoch die Zylinderlinse 43 nicht verwendet wird, als das konventionelle System bezeichnet wird. Bei der nachstehenden Beschreibung des konventionellen Systems unter Bezugnahme auf Fig. 4 werden der Krümmungsradius, die Oberfläche, auf welcher die abgelenkten Strahlen ein Bild erzeugen (die nachstehend als "Bildoberfläche" bezeichnet wird), und die Krümmung der Bildoberfläche sämtlich in Bezug auf eine Richtung normal zur Abtastrichtung betrachtet. Die Bauteile, die in Fig. 4 durch gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet werden, entsprechen diesen und werden daher nicht erneut im einzelnen beschrieben. Nachstehend werden nur die Bauteile beschrieben, die durch ungleiche Bezugszeichen bezeichnet sind; hierbei bezeichnet 13 die Bildoberfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung, und 44 eine asphärische Linse.

Der Krümmungsradius der asphärischen Linse 44 ändert sich entsprechend dem Ort der Strahlablenkung, um eine Null- Krümmung des Feldes zu erzeugen; in Abwesenheit von Fehlern des Krümmungsradius fällt daher die Bildoberfläche 13 vollständig mit der abzutastenden Oberfläche 11 zusammen. Allerdings kann der Krümmungsradius gelegentlich einen Fehler aufweisen, beispielsweise in einem Fall, in welchem kein Fehler in dem zentralen Abtastabschnitt der asphärischen Linse 44 auftritt, jedoch ein negativer Fehler in einem der Endabschnitte des Abtastbereiches (so daß daher der Krümmungsradius zu klein ist). In einem derartigen Fall wird der Strahl 2, der durch den zentralen Abtastabschnitt gelangt, der einen vorbestimmten Krümmungsradius aufweist, korrekt fokussiert, um ein Bild auf der abzutastenden Oberfläche 11 zu erzeugen.

Andererseits weisen diese beiden Endabschnitte des Abtastbereiches der asphärischen Linse 44 einen Krümmungsradius auf, der kleiner ist als ein vorbestimmter Wert, und daher stellen sie eine zu hohe Brechkraft zur Verfügung, welche dazu führt, daß der hindurchgehende Strahl 20 vor der abzutastenden Oberfläche 11 fokussiert wird. Dies führt dazu, daß sich eine gekrümmte Bildoberfläche 13 ergibt.

Der Scanner, bei welchem eine asphärische, nicht- rotationssymmetrische Linse, deren Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung sich mit der Position der Strahlablenkung ändert, als Abtastlinse verwendet wird, erzeugt daher eine Feldkrümmung infolge von Fehlern des Krümmungsradius der asphärischen Oberfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung.

Im Gegensatz hierzu besteht das System gemäß der vorliegenden Ausführungsform, welches in Fig. 5 gezeigt ist, aus der asphärischen Linse 42, der zylindrischen Linse 43, die eine positive Brechkraft aufweist, usw. Die Bauteile, die in Fig. 5 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden wie jene Bauteile von Fig. 1 stellen deren Äquivalente dar und werden daher hier nicht erneut beschrieben. Nachstehend wird nur das Bauteil, welches durch eine ungleiche Bezugsziffer bezeichnet wird, beschrieben; daher bezeichnet die Bezugsziffer 13 die Bildoberfläche in einer Richtung normal zur Abtastrichtung.

Der Krümmungsradius der asphärischen Linse 42 ändert sich so entsprechend der Position der Strahlablenkung, daß eine Null- Krümmung des Feldes einschließlich der Wirkung der Zylinderlinse 43 erzeugt wird; in Abwesenheit von Fehlern bezüglich des Krümmungsradius fällt daher die Bildoberfläche 13 vollständig mit der abzutastenden Oberfläche 11 zusammen.

Falls ein Fehler bei dem Krümmungsradius auftritt, ergibt sich eine gekrümmte Bildoberfläche 13, jedoch besteht, wie bereits erwähnt, das Abtastlinsensystem 4 gemäß der vorliegengen Erfindung aus der Zylinderlinse 43, der asphärischen Linse 42, usw., und diese Konstruktion verringert wirksam die Feldkrümmung infolge von Fehlern des Krümmungsradius der asphärischen Linse in einer Richtung normal zur Abtastrichtung.

Fig. 6 zeigt, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das System gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird. Fig. 7 zeigt, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das konventionelle System erzeugt wird.

In Fig. 6 bezeichnet die Bezugsziffer 15 eine Ebene, welche durch den zusammengesetzten Hauptpunkt der asphärischen Linse 42 und der Zylinderlinse 43 geht, und welche normal zur optischen Achse verläuft, und 16 bezeichnet eine Ebene, die durch den Schnittpunkt der optischen Achse und des Strahls geht, der durch die asphärische Linse 42 gebrochen wird, und normal zur optischen Achse verläuft.

Zur Vereinfachung wird die Entfernung zwischen dem Hauptpunkt auf der Objektseite und dem Hauptpunkt auf der Bildseite in der nachstehenden Diskussion vernachlässigt, und statt dessen von einem einzigen Hauptpunkt ausgegangen.

Es wird angenommen, daß die asphärischen Linsen 42 und 44 eine Brechkraft P₁ bzw. P₂ aufweisen, in einer Richtung normal zur Abtastrichtung, und daß sie sich an denselben Orten befinden, sowohl bei dem System gemäß der vorliegenden Ausführungsform als auch bei dem konventionellen System. Die Brechkraft der Zylinderlinse 43 in einer Richtung normal zur Abtastrichtung ist durch P_C bezeichnet. Bei beiden Systemen besteht eine optisch konjugierte Beziehung zwischen dem Objektpunkt, der an der reflektierenden Oberfläche 33 des Polygonspiegels 3 liegt, und dem Bildpunkt an der abzutastenden Oberfläche 11.

Die Beziehungen für die Bilderzeugung lassen sich durch die nachstehend angegebenen Gleichungen (1) bis (3) ausdrücken, wobei S₁ die Position der reflektierenden Oberfläche 33 des Polygonspiegels 3 in Bezug auf die asphärische Linse 42 bezeichnet, S_1D die Position der Ebene 16 (die durch den Schnittpunkt der optischen Achse und des von der asphärischen Linse 42 gebrochenen Strahls geht und normal zur optischen Achse verläuft) in Bezug auf die asphärische Linse 42, S₂ die Position derselben Ebene 16 in Bezug auf die Zylinderlinse 43, S_2D die Position der abzutastenden Oberfläche 11 in Bezug auf die Zylinderlinse 43, T₁ die Position der reflektierenden Fläche 33 des Polygonspiegels 3 in Bezug auf die asphärische Linse 44, T_1D die Position der abzutastenden Oberfläche 11 in Bezug auf die asphärische Linse 44, und U die Position der Zylinderlinse 43 in Bezug auf die asphärische Linse 42. Die Wirkung der sphärischen Linse 41 ist so gering, daß sie sicher außer Betracht bleiben kann.

1/S_1D=1/S₁+P₁ (1)

1/S_2D=1/S₂+P₂ (2)

1/T_1D= 1/T₁+P₂ (3)

Die Werte der jeweiligen Größen in den Gleichungen (1) bis (3) erfüllen die nachstehenden Beziehungen (4) bis (8):

P₂<P₁, P_C<0 (4)

S₁=T₁<0 (5)

T_1D=S_2D+U<0 (6)

S_2D, T_1D, U<0 (7)

S_1D=S₂+U (8)

Aus Gleichung (2) und der Beziehung (4) erhält man die Beziehung (9), die sich als Beziehung (10) umschreiben läßt:

1/S_2D<1/S₂ (9)

S₂<S_2D (10)

Aus den Beziehungen (6), (8) und (10) erhält man nachstehende Gleichung (11):

T_1D-S_1D=S_2D-S₂<0 (11)

Nunmehr wird überlegt, wie die Positionen von Ebenen, die optisch konjugiert zur abzutastenden Oberfläche 11 sind (auf welcher der Bildpunkt liegt) sich ändern, wenn die Brechkräfte P₁ und P₂ der asphärischen Linsen 42 und 44 sich beide um den Prozentfaktor α infolge von Fehlern des Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung ändern. Weist der Krümmungsradius einen negativen Fehler auf, so nimmt die prozentuale Änderung der Brechkraft (α) einen positiven Wert an.

Fig. 8 erläutert, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das System gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird, wenn ein Fehler des Krümmungsradius vorhanden ist. Fig. 9 zeigt, wie ein Bild in einer Richtung normal zur Abtastrichtung durch das konventionelle System bei Vorhandensein eines Fehlers des Krümmungsradius erzeugt wird.

In den Fig. 8 und 9 bezeichnen die Bezugsziffern 14 und 17 Ebenen, die bei den beiden Systemen optisch konjugiert zur abzutastenden Oberfläche 11 sind. Nunmehr wird die Position der konjugierten Ebene 14 in Bezug auf die asphärische Linse 42 nach einer Änderung von P₁ als S_1B bezeichnet, und die Position der konjugierten Ebene 17 in Bezug auf die asphärische Linse 44 nach einer Änderung von P₂ als T_1B. Dann gelten die Gleichungen (12) und (14). Durch Ersetzen der Gleichungen (1) und (3) lassen sich die Gleichungen (12) und (14) in die Gleichung (13) bzw. (15) umschreiben:

1/S_1B = 1/S_1D - (1 + α)P₁ (12)

= 1/S₁ - αP₁ (13)

1/T_1B = 1/T_1D - (1 + α)P₂ (14)

= 1/T₁ - αP₂ (15)

Aus den Gleichungen (5), (13) und (15) erhält man Gleichung (16), die sich umschreiben läßt zur Beziehung (17):

1/T_1B-1/S_1B=α(P₁-P₂)<0 (16)

T_1B<S_1B (17)

Aus Beziehung (4) und der Gleichung (13) erhält man die Beziehung (18), welche sich zur Beziehung (19) umschreiben läßt:

1/S_1B<1/S₁ (18)

S_1B<S₁ (19)

Aus der Beziehung (4) und der Gleichung (15) erhält man die Beziehung (20), die sich zur Beziehung (21) umschreiben läßt:

1/T_1B<1/T₁ (20)

T_1B<T₁ (21)

Wie aus den Beziehungen (19) und (21) hervorgeht, nähern sich die Positionen der Ebenen 14 und 17, die jeweils bezüglich der abzutastenden Oberfläche 11 (wo der Bildpunkt liegt) optisch konjugiert sind, an die asphärische Linse 42 bzw. 44 an, wenn die Brechkraft dieser Linsen in einer Richtung normal zur Abtastrichtung ansteigt.

Weiterhin geht aus der Beziehung (17) hervor, daß die Positionsänderung bei dem System gemäß der vorliegenden Ausführungsform geringer ist als bei dem konventionellen System.

Als nächstes erfolgt ein Vergleich der Längs-Vergrößerung. Definitionsgemäß ergibt sich die Längs-Vergrößerung durch nachstehende Formel (22):

M=(L₂/L₁)² (22)

wobei L₁ die Entfernung zwischen dem Objektpunkt und dem Hauptpunkt ist, und L₂ die Entfernung zwischen dem Hauptpunkt und dem Bildpunkt.

Wird die Längs-Vergrößerung bei dem konventionellen System durch M_T bezeichnet, so gelten die nachstehenden Gleichungen (23) bis (25), da der zusammengesetzte Hauptpunkt des Linsensystems nahe an der asphärischen Oberfläche liegt:

L₂=T_1D (23)

L₁=-T₁ (24)

M_T= (T_1D/-T₁)² (25)

Wird die Längs-Vergrößerung des Systems gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch M_S bezeichnet, so gelten die nachstehenden Beziehungen (26) bis (28), da der zusammengesetzte Hauptpunkt 15 des Linsensystems zwischen der asphärischen Linse 42 und der Zylinderlinse 43 liegt, wie aus Fig. 6 hervorgeht:

L₂<T_1D (26)

L₁<-T₁ (27)

M_S<(T_1D/-T₁)² (28)

Aus den Beziehungen (25) und (28) erhält man die nachstehende Beziehung (29):

M_T<M_S (29)

Schließlich wird ein Vergleich zwischen jeder Feldkrümmung vorgenommen, welche durch die relative Verschiebung der voranstehend festgelegten, optisch konjugierten Ebenen 14 und 17 gegenüber der reflektierenden Oberfläche 33 des Polygonspiegels 3 hervorgerufen wird, und zwar bei der konventionellen Art des optischen Systems bzw. bei der vorliegenden Ausführungsform des optischen Systems.

Bezeichnet man die Feldkrümmung mit F und den Betrag der Änderung der Position der konjugierten Ebene 14 oder 17 durch α, dann gilt die durch Gleichung (30) ausgedrückte Beziehung, wobei F<0 den Fall betrifft, in welchem der Bildpunkt in Richtung auf die Zylinderlinse 43 versetzt ist.

F= - Δ · M (30)

Fig. 10 erläutert, wie die Bildoberfläche bei dem System gemäß der vorliegenden Ausführungsform gekrümmt ist. Ist der Betrag der Änderung der Position der konjugierten Ebene 14 durch ΔS bezeichnet, und die Krümmung der Bildoberfläche mit F_S, so gelten die nachstehenden Gleichungen (31) und (32):

ΔS=S_1B-S₁ (31)

F_S=-ΔS·M_S (32)

Fig. 11 erläutert, wie bei dem konventionellen System die Bildoberfläche gekrümmt ist. Wird der Betrag der Änderung der Position der konjugierten Ebene 17 durch ΔT bezeichnet, und die Krümmung der Bildoberfläche durch F_T, so gelten die nachstehenden Gleichungen (33) und (34):

ΔT=T_1B-T₁ (33)

F_T=-ΔT·M_T (34)

Aus den Beziehungen (5), (17), (31) und (33) erhält man die Beziehung (35):

ΔT<ΔS (35)

Aus den Beziehungen (29), (32), (34) und (35) erhält man die Beziehung (36):

F_T<F_S (36)

Sowohl F_T als auch F_S weisen einen negativen Wert auf, und daher ist verglichen mit dem Abtastlinsensystem 4, welches die asphärische Linse 44 usw. aufweist, jedoch nicht die Zylinderlinse 43 verwendet, das Abtastlinsensystem 4, welches aus der asphärischen Linse 44, der zylindrischen Linse 43, usw. besteht, in der Hinsicht vorteilhaft, daß der Absolutwert der Feldkrümmung infolge eines Fehlers des Krümmungsradius der asphärischen Linse 44 in einer Richtung normal zur Abtastrichtung kleiner ist als der Absolutwert der Feldkrümmung infolge eines Fehlers des Krümmungsradius der asphärischen Linse 44.

Wie auf den voranstehenden Seiten beschrieben wurde, besteht das Abtastlinsensystem gemäß der vorliegenden Erfindung aus mehreren Linsen, von denen diejenige, die am nächsten an der abzutastenden Oberfläche liegt, eine Zylinderlinse mit positiver Brechkraft ist, wobei eine andere Linsenoberfläche so ausgebildet ist, daß ihr Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung monoton vom zentralen Abschnitt zu jedem Endabschnitt hin zunimmt. Dies führt dazu, daß die Krümmung des Bildfeldes, die infolge des Abtastlinsensystems auftritt, ausreichend verringert ist, so daß ein kleiner Punkt eines stabilen Laserstrahls über dem gesamten Abtastbereich zur Verfügung gestellt wird. Daher weist die vorliegende Erfindung den Vorteil auf, daß ein Laserscanner zur Verwendung in einem Laserdruckersystem für hochauflösenden Druck zur Verfügung gestellt wird, und ebenso ein Abtastlinsensystem, welches bei einem derartigen Laserscanner eingesetzt wird.

Die voranstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgte zum Zwecke der Erläuterung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die exakt beschriebene Form beschränken, und es sind Modifikationen und Änderungen angesichts der voranstehenden Lehren möglich, oder lassen sich aus der Umsetzung der Erfindung in die Praxis erlangen. Die Ausführungsform wurde zu dem Zwecke ausgesucht und beschrieben, um die Grundlagen der Erfindung und ihre praktische Einsetzbarkeit zu erläutern, damit ein Fachmann auf diesem Gebiet die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit unterschiedlichen Abänderungen einsetzen kann, die an den jeweiligen besonderen Einsatzzweck angepaßt sind. Der Umfang der Erfindung ergibt sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen, insbesondere aus den beigefügten Patentansprüchen und deren Äquivalenten.

Claims

1. Laserscanner, gekennzeichnet durch:
eine Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls;
ein ein Linienbild erzeugendes optisches Teil;
eine Licht-Ablenkvorrichtung mit einer reflektierenden Fläche, welche den Laserstrahl von der Laserlichtquelle durch das ein Linienbild erzeugende optische Teil empfängt, um ein Linienbild auf der reflektierenden Fläche zu erzeugen; und
ein Abtastlinsensystem, welches einen reflektierten Laserstrahl von der reflektierenden Fläche der Licht- Ablenkvorrichtung fokussiert, um eine Abtastung über einer abzutastenden Oberfläche vorzunehmen, wobei die Abtastlinse eine Zylinderlinse aufweist, die eine positive Brechkraft hat und sich am nächsten Ort an der abzutastenden Oberfläche befindet, sowie eine asphärische Linse, bei welcher zumindest eine Oberfläche einen Krümmungsradius in einer Richtung normal zur Abtastrichtung aufweist, welcher von dem zentralen Abschnitt zu jedem Endabschnitt hin zunimmt.

2. Laserscanner nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastlinse weiterhin eine sphärische Linse aufweist, die sich in der entferntesten Position von der abzutastenden Oberfläche befindet.

3. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse eine zylindrische Oberfläche und eine ebene Oberfläche aufweist.

4. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Linse weiterhin eine ebene Oberfläche aufweist.

5. Laserscanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Oberfläche der asphärischen Linse nicht rotationssymmetrisch ist, und ihr Krümmungsradius sich entsprechend einer Position einer Strahlablenkung ändert.

6. Abtastlinsensystem, welches eine Abtastung einer abzutastenden Oberfläche mittels fokussierter Lichtstrahlen vornimmt, welche von einer Licht- Ablenkvorrichtung abgelenkt wurden, gekennzeichnet durch: eine Zylinderlinse, die eine positive Brechkraft aufweist, und sich in der nächsten Position an einer abzutastenden Oberfläche befindet, und eine asphärische Linse, bei welcher zumindest eine Oberfläche einen Krümmungsradius in einer Richtung normal zu einer Abtastrichtung aufweist, welcher von ihrem zentralen Abschnitt zu jedem Endabschnitt hin zunimmt.

7. Laserscanner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastlinse weiterhin eine sphärische Linse aufweist, die sich in der entferntesten Position von der abzutastenden Oberfläche befindet.

8. Laserscanner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse eine zylindrische Oberfläche und eine ebene Oberfläche aufweist.

9. Laserscanner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Linse weiterhin eine ebene Oberfläche aufweist.

10. Laserscanner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aspärische Oberfläche der asphärischen Linse nicht rotationssymmetrisch ist und einen Krümmungsradius aufweist, der sich entsprechend einer Position einer Strahlablenkung ändert.