ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩЕГО ЛАЗЕРНОГО ПРИНТЕРА Российский патент 2005 года по МПК G02B27/00 G02B27/48 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для проектирования оптических схем высокоразрешающих лазерных принтеров.

Известна оптическая система лазерного принтера (US 5274503) [1], содержащая последовательно установленные вдоль оптической оси простые и сложные линзы. Осветительная ветвь оптической системы принтера состоит из фокусирующего элемента, которому может предшествовать коллимирующее устройство при необходимости дополнительного обеспечения параллельности лучей в лазерном пучке, поступающем на фокусирующий элемент. Фокусирующий элемент выполняется, например, в виде цилиндрической линзы. Коллимирующее устройство может быть также выполнено в виде коллимирующей линзой, расположенной между лазером и цилиндрической линзой. Развертка луча по барабану осуществляется с помощью вращающегося полигона. Основным компонентом схемы является синглет, который имеет сложные асферические поверхности с сильно различающимися радиусами кривизны в меридиональной и саггитальной плоскостях. Уравнения асферических поверхностей синглета чрезвычайно сложны, поскольку они описываются 3 наборами полиномиальных коэффициентов и двумя основными асферизирующими параметрами - кониками Кх и Ку. Значения коников Кх и Ку могут меняться от + ∞ до - ∞. Поэтому аберрационный расчет оптической схемы принтера и прежде всего определение формы поверхностей астигматического синглета очень сложен и требует значительных временных затрат.

Таким образом, недостатком технического решения [1] является большое число габаритных параметров схемы (в том числе радиусы кривизны синглета, фокусное расстояние коллимирующей и цилиндрической линзы, а также расстояния между компонентами схемы). Большинство этих параметров являются свободными и относятся к коррекционным параметрам при проектировании оптической системы. Избыточно широкий набор коррекционных параметров существенно усложняет отыскание оптимального решения, т.к. предполагает крайне большие затрата на определение рациональной конфигурации синглета даже при использовании мощных САПР оптических систем (типа CODE v). При этом на начальной стадии проектирования нет ясности, существует ли, в принципе, решение при данном сочетании параметров. Из этого следует, что не все сочетания параметров пригодны для успешного выполнения проектных работ по созданию оптической системы для лазерного принтера. Это настолько сильно усложняет задачу проектанта, что автоматизированный синтез системы возможен лишь при рациональном выборе габаритных параметров исходной оптической системы принтера. Таким образом, сложность аберрационного построения системы из-за неопределенности в выборе большинства свободных параметров часто не обеспечивает нахождения решения с минимальным для данной конструкции размером сфокусированного пятна. В итоге, выполнение проектных работ по созданию оптической системы для лазерного принтера требует значительных временных затрат и обусловливает высокую стоимость проектирования.

Изобретением решается задача сокращения времени и уменьшения стоимости проектирования оптической системы для лазерного принтера, а также расширения диапазона допусков при изготовлении синглета.

Для устранения недостатков прототипа [1] в изобретении предлагается предварительно определять диапазон возможных числовых значений всех свободных параметров схемы из разработанной системы алгебраических уравнений и неравенств с учетом свойств лазерного излучения. При таком подходе диапазон возможных значений всех свободных параметров схемы становится конечным, резко сокращается число вариантов их рациональных сочетаний и появляется принципиальная возможность заблаговременно определить, существует ли конкретное решение. Если решение существует, то не только кардинально сокращается время его нахождения, но и обеспечивается существенное уменьшение размера сфокусированного пятна. При этом расширяется диапазон допусков при изготовлении синглета.

Оптическая система лазерного принтера, как и в прототипе [1], содержит последовательно установленные вдоль оптической оси лазер, фокусирующий элемент, многогранный зеркальный барабан, установленный с возможностью вращения, и астигматический синглет с асферическими поверхностями. При этом фокусирующий элемент может быть выполнен, например, в виде цилиндрической линзы.

В конкретных вариантах оптической системы для формирования параллельного пучка лучей в состав фокусирующего элемента включают также коллимирующее устройство, в качестве которого может быть использована, например, коллимирующая линза.

Отличительным признаком изобретения является новый подход к рациональному конструированию основных элементов оптической системы, в частности к их габаритам, форме и взаимному расположению, что позволяет добиться минимального размера сфокусированного пятна при относительно невысоких затратах на расчет асферических поверхностей синглета и сниженных трудозатратах на изготовление синглета сложной формы.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 приведена принципиальная схема оптической системы лазерного принтера.

На Фиг.2 показаны: меридиональное сечение (а) и сагиттальное сечение (б) - от лазера до полигона и (в) - от полигона до барабана.

Оптическая система содержит последовательно установленные вдоль оптической оси Z лазер 1, фокусирующий элемент 2, сканирующий отражатель в виде многогранного зеркального барабана 3, установленного с возможностью вращения, и астигматический синглет 4 с асферическими поверхностями 5 и 6 и барабан со светочувствительной поверхностью 7.

В частном случае, показанном на Фиг.1, между лазером 1 и фокусирующим элементом 2 установлена коллимирующая линза 8 для формирования параллельного пучка лучей.

Оптическая система лазерного принтера с одномерным квазилинейным сканированием лазерного пучка работает следующим образом.

Лазер 1, например, полупроводниковый, интенсивность которого управляется системой накачки, направляет излучение, в данном случае через коллимирующее устройство 8, на фокусирующий элемент 2, выполненный в виде цилиндрической линзы, который фокусирует лазерный пучок в сагиттальной плоскости (XZ) вблизи середины рабочей грани сканирующего отражателя 3. Отражатель 3 вращается в меридиональной плоскости YZ и обеспечивает угловую развертку лазерного пучка по углу θ. Отраженный от зеркальной грани отражателя 3 лазерный пучок поступает на астигматический синглет 4, который обеспечивает фокусировку лазерного пучка в малоразмерное пятно и осуществляет преобразование сканирования пучка по углу 0 в квазилинейное одномерное движение пятна вдоль меридиональной прямой на светочувствительной поверхности барабана 7. При этом габаритные параметры осветительной ветви (коллимирующей и цилиндрической линз) и астигматического f-θ синглета в меридиональной плоскости "m" (Фиг.2(б)) и сагиттальной плоскости "s" (Фиг.2(в)) плоскостях определяют с учетом свойств источника лазерного излучения из системы уравнений и неравенств:

где Hp,s - размер исходной перетяжки излучения лазера с длиной волны λ в сагиттальной плоскости;

H'p,s - требуемый размер перетяжки сфокусированного излучения лазера на барабане в сагиттальной плоскости;

Zp - положение перетяжки лазерного излучения перед синглетом в сагиттальной плоскости;

Uo - апертурный угол коллимирующего устройства, характеризующий необходимый уровень используемой мощности лазера,

Bs - ширина лазерного пучка на синглете в сагиттальной плоскости;

βs - линейное увеличение оптической системы многолучевого принтера в сагиттальной плоскости,

βm - требуемое увеличение оптической системы многолучевого принтера в меридиональной плоскости.

При этом рабочее линейное увеличение β₂,s синглета выбирают в диапазоне β₂,s=(0,25...0,4)βs, а линейное увеличение β₁,s осветительной ветви ОС в сагиттальной плоскости равно β₁,s=βs/β₂,s.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при проектировании оптических схем высокоразрешающих лазерных принтеров. Система состоит из лазера, фокусирующего элемента, коллимирующего элемента, полигона, астигматического синглета. Предварительно определяют диапазон возможных числовых значений всех свободных параметров схемы из разработанной системы алгебраических уравнений и неравенств, с учетом свойств лазерного излучения. Технический результат - сокращение времени и уменьшение стоимости проектирования оптической системы лазерного принтера, а также расширения диапазона допусков при изготовлении синглета. 2 ил.

Высокоразрешающая оптическая система одномерного квазилинейного сканирования сфокусированным лазерным пучком, состоящая из последовательно расположенных вдоль оптической оси элементов:

лазера, интенсивность излучения которого управляется системой накачки;

фокусирующего элемента, обеспечивающего фокусировку лазерного пучка в сагиттальной плоскости преимущественно на середине рабочей грани полигона;

коллимирующего элемента, устанавливаемого между лазером и фокусирующим элементом при необходимости дополнительного обеспечения параллельность лучей в лазерном пучке;

полигона, вращающегося в меридиональной плоскости и обеспечивающего угловую развертку лазерного пучка по углу θ;

астигматического f-θ синглета с сильно различающимися по кривизне асфериками высокого порядка, обеспечивающего фокусировку лазерного пучка в малоразмерное пятно и преобразование сканирования пучка по углу θ в квазилинейное движение указанного пятна вдоль меридиональной прямой на поверхности изображения (например, светочувствительного барабана),

отличающаяся тем, что размеры, форма и взаимное расположение коллимирующего устройства, фокусирующего элемента и астигматического f-θ синглета в меридиональной и сагиттальной плоскостях определяются с учетом свойств лазерного излучения источника из системы уравнений и неравенств

где Hp,s - размер исходной перетяжки излучения лазера с длиной волны λ в сагиттальной плоскости;

H'p,s - требуемый размер перетяжки сфокусированного излучения лазера на барабане в сагиттальной плоскости;

Zp - положение перетяжки лазерного излучения перед синглетом в сагиттальной плоскости;

Uo - апертурный угол коллимирующего элемента, характеризующий необходимый уровень используемой мощности лазера;

Bs - ширина лазерного пучка на синглете в сагиттальной плоскости;

βs - линейное увеличение оптической системы многолучевого принтера в сагиттальной плоскости;

βm - требуемое увеличение оптической системы (ОС) многолучевого принтера в меридиональной плоскости,

причем рабочее линейное увеличение β₂,s синглета выбирают в диапазоне β₂,s=(0,25...0,4)βs, а линейное увеличение β₁,s осветительной ветви ОС в сагиттальной плоскости равно β₁,s=βs/β₂s.