Оптическая система линейного развертывающего устройства Советский патент 1992 года по МПК G02B26/10 G02B9/06 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к лазерным печатающим устройствам.

Известна сканирующая и печатающая система, позволяющая работать при отно- 5 сительно больших допусках на шаговые углы граней зеркала в развертывающих устройствах с вращающимися зеркалами. Как описано в этом патенте, здесь применяют цилиндрическую линзу для создания 10 изображения светового пучка по одному азимуту к линии на грани многостороннего вращающегося зеркала и вторую цилиндрическую или тороидальную линзу для приема и реколлимации света, отраженного от вра- 15 щающегося зеркала, а также сферическую линзу для фокусировки пучка по обоим азимутальным углам в небольшое пятно на линии, подлежащей развертке. В известных системах с любым заметным углом отклоне- 20 ния следует испочльзовать тороидальную линзу для реколлимации пучка, отраженного от зеркала, с тем, чтобы обеспечить коллимацию пучка на протяжении полного угла отклонения.25

Изготавливать тороидальные линзы очень трудно и дорого, поэтому во многих случаях использование тороидальной линзы удовлетворительного качества в системах с очень высокой разрешающей 30 способностью является экономически нецелесообразным, не обеспечивает надежность при работе такой оптической системы (не устойчива к разъюстировке).

Известна оптическая система сканиро- 35 вания для лазерных печатающих уст ройств.

Но указанная оптическая система является сложной по конструкции, т.к. сложна юстировка такого прибора и поэтому мала надежность в его работе.40

Известна оптическая система для линейного развертывающего устройства с вращающимся зеркалом, где система линз создает изображение поверхности вращающегося зеркала на плоскости развертки по 45 азимуту, перпендикулярному к плоскости отклонения пучка, в то же время вводя кол- лимированные лучи источника света в пло- CKoctn отклонения пучка с целью фокусировки на одной и той же линии раз- 50 вертки. .

С целью обеспечения необходимой разности оптической силы линзы по двум нормально расположенным азимутам и выравнивания поля сфокусированного раз- 55 вертыаающего пучка отрицательной оптический элемент с осью, перпендикулярной к плоскости отклонения, используют в сочетании с положительным сферическим элементом или положительным сферическим и

цилиндрическим элементом. Цель применения этой системы линз состоит в релаксации требуемого допуска на ось вращения к углу грани вращающихся зеркала для оптических развертывающих устройств.

Но данная оптическая система требует точной юстировки, поэтому не обеспечивает надежность работы прибора. Кроме того, качество изображения не соответствует тре- бованиям, предъявляемым к такого типа оптическим системам.

Известна оптическая система линейного развертывающего устройства, содержащая источник излучения, объектив коллиматора, многогранное зеркало, установленное с возможностью вращения, фокусирующий объектив, цилиндрическую линзу с образующей, параллельной меридиональному сечению оптической системы, и барабан со светочувствительной поверхностью, установленный с возможностью вращения вокруг оси, параллельной меридиональному сечению оптической системы (патент США № 4496209).

Однако этой системе свойственны недостаточно высокие равномерность и прямолинейность линии сканирования на светочувствительной поверхности, а также сложность конструкции.

Целью изобретения является повышение равномерности и прямолинейности линии сканирования на светочувствительной поверхности и улучшение технологичности.

Поставленная цель достигается тем, что в оптической системе линейного развертывающего устройства, содержащей источник излучения, объектив коллиматора, многогранное зеркало, установленное с возможностью вращения, фокусирующий объектив, цилиндрическую линзу с образующей, параллельной меридиональному сечению оптической системы, и барабан со светочувствительной поверхностью, установленный с вбзможностью вращения вокруг оси. параллельной меридиональному сечению оптической системы, между объективом коллиматора и многогранным зеркалом установлена диафрагма, оптически сопряженная в сагиттальном сечении со светочувствительной поверхностью барабана через фокусирующий объектив и цилиндрическую линзу с уменьшением.

В оптической системе также, с целью уменьшения размеров пятна излучения на светочувствительной поверхности и максимального использования энергии источника излучения, диафрагма выполнена эллиптической.

Кроме того, в оптической системе, с целью повышения однородности пятна излучения и линейности смещения вдоль линии сканирования, фокусирующий объектив выполнен из двух положительных менисков со сферическими поверхностями, обращенных вогнутостью к многогранному зеркалу, с соотношением оптических сил 1,74:1,83.

Фокусное расстояние фокусирующего объектива выбирается оптимальным исходя из габаритов самого объектива и габаритов сканирующего призменного барабана, ко- торые связаны друг с другом.

Объектив коллиматора формирует па- раллеяччый пучок лучей, поэтому источник света (лазер) находится в передней фокальной плоскости объектива коллиматора.

Объектив коллиматора должен полно- стью заполнить эллиптическую диафрагму, которая располагается в передней фокальной плоскости объектива.

Размеры диафрагмы определяются на основе соотношения связи входных и выходных апертур через фокусное расстояние или увеличение фокусирующего объектива. Размер диафрагмы в меридиональном сече- нии Dy больше, чем в сагиттальном DK(Dx/Dy «1/3).

При условии использования всей числовой апертуры лазерного излучателя в меридиональном сечении фокусное расстояние коллиматора находится по формуле:

fi - РУ -ZAyгде Ау - числовая апертура лазерного излучателя в меридиональной плоскости.

Объектив коллиматора получается ко- роткофокусным с большой апертурой. Для конкретного рассчитанного варианта, например, объектив коллиматора состоит из трех менисковых линз со сферическими поверхностями и имеет ол1 3,32 мм. Ау 0,43.

Задняя апертура фокусирующего объектива в меридиональном сечении определяется исходя из размеров пишущего пятна. Выражение для инварианта в этом про- странстве имеет вид ly Ay hy, где hy - размер пятна в меридиональном сечении. Значения инвариантов в меридиональном и сагиттальном сечениях определяются из значения числовых апертур лазерного излу- чателя.

Угловое поле фокусирующего объектива определяется из условия обеспечения записи строки на всей ее заданной длине.

В данном конкретном случае угловое поле составляет 90°. Значение фокусного расстояния было принято т0б 136,4 мм.

При определении расстояния от диафрагмы до грани вращающейся призмы учитывалось, что, чем ближе диафрагма располагается к грани, тем меньше вчияние погрешностей изготовления и сканирования призмы на поперечные смещения сканирующей строки, т.е. проще обеспечиваются приемлемые технологические допуски на изготовление призмы (пирамидальность) и допуски на торцевое биение призмы. С другой стороны, необходимо учитывать удобство расположения компонентов и габариты всей системы. Так, для рассчитанного примера расстояние от диафрагмы до грани призмы 60 мм. Исходя из удобств и упрощения оптической схемы, целесообразно разместить диафрагму в переднем фокусе фокусирующего объектива.

Цилиндрическая линза имеет оптическую силу только в сагиттальном сечбни и Vi служит для формирования пятна в вертикальной плоскости. Из размера пятна в вер- тикальной плоскости и фокусного расстояния фокусирующего объектив определяется фокусное расстояние цилиндрической линзы в сагиттальном сечений. Диафрагма, расположенная в фокусе фокусирующего объектива, проектируется объективом и цилиндрич ес кой линзой на светочувствительную поверхность барабана.

При расположении диафрагмы в переднем фокусе фокусирующего объектива фокусное расстояние цилиндрической линзы находится по формуле:

fyfl Об.

для рассчитанного примера fyn 12,82 мм.

Входная грань сканирующей призмы совпадает с входным зрачком фокусирующего объектива. Такое положение оптимально, поскольку при вращении призмы центр зрачка смещается.

Одной из проблем расчета фокусирующего объектива является специфическая коррекция дисторсии, необходимая для того, чтобы величина изображения у, формируемого объективом, была бы пропорциональна не тангенсу входного полевого угла, как это обычно принято в оптике, а самому углу со , т.е. требуется исправля о дисторсию по углу. В относительной мере эта дисторсия выражается соотношением:

A yl-vft Ji 1 vco мш

где - обобщенное увеличение объектива, равное в данном случае его переднему фокусному фотограмметрическому расстоянию.

Особенностью этого уравнения является то, что записанная дисторсия является

так называемой глобальной дисторсией. В данной оптической системе зональная относительная дисторсия по углу не должна пре- вышать 1%. Так, при ра 6че т е оптики рассматривается и корригируется глобальная дисторсия, поэтому необходимо изучить связь глобальной и зональной дисторсии. Эта связь дается следующим соотношением:

5(И-А)(1+А + ,

V1

где р -Y- - относительная полевая коYmax

ордината.

При малых величинах относительной глобальной дисторсии Д можно записать:

ад

5(1-Д)()-1-.

Для типов объективов, пригодных в данной схеме, как правило, можно ограничиться дисторсией так называемого третьего и пятого порядков, т.е представить относительную глобальную дисторсию в виде:

Д d ft + С2 р Ci U + С2 U (2)

где Ci.Ca - коэффициенты третьего и пятого порядков, U р2,

При этом $Јр - 2d U + 4С2 U2 .

Подставляя в ф-ле (1), получим:

(5(1-CiU C2U2(1-3CiU-5C2U2)-1. (3)

Рассмотрим значения относительной дисторсии на краю поля, т.е. при U и на зоне, т.е при U 0,5. р 0,707 vO,5:

Д1 Д(1); Ao, VO5). Из ф-лы (2) имеем Ai Ci+C2, Дг 1/2 С1+1/4С2,

откуда Ci 4 Да - Дт , С2 2 AI - 4 Да

(За)

Пренебрегая в ф-ле (3) квадратами величин Ci, C2. получим

д - 4Ci U - 6С2 U2,

В зависимости от соотношения коэффициентов Ci и С2 максимальное значение зональной дисторсии может быть либо на краю поля при U 1, либо на зоне. Найдем 5 координату этой зоны, дифференцируя (4)1

5j-- 4Ci-12C2U 0

10 откуда

., Ci . . 2 d

Utnax 3Ci

Если 0 , то максимальное значение достигается на зоне, если нет, то на краю, поскольку в этом случае максимум лежит за пределами поля. В этом последнем случае

fi

Omax dl -4Cl -6C2

Из ф-лы (За) следует:

яt - 5max di -- 8 Дт + 8 До,7 на краю

5max -2CiUmax на зоне,(5)

15

20

25

но так как . то, полагая ,B худшем случае получаем на зоне 5max 2Ci 4 До,1-Д1 .

Из ф-лы (5) следует, что оптимальная форма коррекции глобальной дисторсии соответствует условию равенства ее на краю и зоне:

35

Дт Дол ,

(6)

При этом из ф-лы (6) следует, что для удовлетворения требованию д 1 % необходи- 4Q мо, чтобы

4 Дэ.7 3 AI 1 % или Дт 1/3%.

Зная заданное соотношение значений 45 дисторсии на краю и на зоне, для конкретного примера схемы был рассчитан объектив из двух линз, Объектив имеет довольно простую конструкцию, т.к. коррекцию аберраций надо проводить в меридиональном 5Q сечении по полю, в сегиттальном сечении работает только точка на оси. Поэтому удалось использовать объектив из компонентов со сферическими поверхностями.

Аберрационный расчет коллиматорного 55 Объектива проводится из условия обеспечения дифракционного качества изображения. Остаточные аберрации в этом случае определяются Рэллевским допуском (о Я/4 или величиной среднеквадратиче- ской волновой аберрации , которая по

марешалевскому допуску должна удовлетворять условию:

од, А/14-0,07 А .

Строго говоря, коллиматорный объектив работает с точечным источником излучения, размер которого (2ау) определяется по формуле

2ау А /Ау

и имеет порядок 2ау 0,78/0,423- 1,8 мкм.

Однако практически точность установки лазерного излучателя может составлять величину порядка +-0,1 мм. Поэтому коллиматорный объектив должен иметь волновую аберрацию не более А/4 (а) А/4) ил и среднеквадратическую волновую аберрацию не боле 0,7 А ( 0,07 А) для величины линейного поля +-0,1 мм.

Аберрационный расчет производился совместно с фокусирующим объективом и цилиндрической линзой, которая в меридиональном сечении эквивалентна плоскопараллельной пластинке, а в сагиталльном имеет оптическую силу.

Фокусирующий объектив по качеству изображения пишущего светового пятна относится к классу дифракционно-ограниченных оптических систем, в которых размер пятна (2 hy1) определяется дифракцией, т.е.:

2hy -A/Ay 2hy 0,78/0, мкм, где Ay1 - задняя числовая апертура объектива. ., ;

Остаточная величина меридиональной кривизны изображения (Zm ) на рабочем поле определяется из условия дифракционного качества изображения пишущего пятна. Известно, что оптическая система считается безаберрационной (дифракционно-ограниченной), если допустимая остаточ- ная волновая аберрация ( ,сг ) не превосходит величину А/4 , т.е.о)А/4 (реллевский допуск).

Волновая аберрация, обусловленная только расфокусировкой, определяется как

со У2о/92. где р- относительная коОр динЗ- та на зрачке, (OIQ- коэффициент волновой аберрации (расфокусировка). Для края зрачка (р 1) при й А/4, получаем й#о А/4 . Кривизна изображения 2т определяется по

формуле Zm -2 (1)20 А (Ау) ) . Допустимое значение меридиональной кривизны изображения фокусирующего объектива находится кэк2п/ 2(0,78/4)/(0.01)2.

Остальные аберрации фокусирующего объектива ввиду малости его апертуры не влияют на качество изображения пишущего

10

15

0

5

0

5

0

5

0

5

пятна и величина волновой аберрации объектива не должна превосходить А/4 или среднеквадратическая волновая аберрация WCKB должна удовлетворять условию Шскв SA/14 - 0,07 А (марешалевский допуск).

В сагиттальном сечении фокусирующий объектив и цилиндрическая линза должны иметь величину волновой аберрации не более А/4 или среднеквадратическую волновую аберрацию йЛжв А/14 0,07А . В приведенном варианте реализации предложенной оптической системы для линейного развертывающего устройства с вращающимся зеркалом:

Источник света - лазерный излучатель ИЛПН-212 со следующими характеристиками:

длина волны излученияА 780+-20нм 0,78+-0,2 мкм ширина линии излучения ,1нм размер тела излучения в горизонтальной

плоскости2ау 0,5-1 мкм

в вертикальной

плоскости2ах 3-5 мкм

индикатрисса и ЗЯуЧения в горизонтальной плоскости на урбвне0,52 joyo.s 30° в горизонтальной плоскости на уровне в вертикальной плоскости на уровне в вертикальной плоскости на уровне

Основные характеристики объектива коллиматора:

фокусное расстояние f кол 3,22 мм линейное поле в пространстве предметов числовая апертур а в пространстве предметов средняя квадратическая волновая аберрация й)Скв 0,073 А размер грани многогранного отражающего зеркала I 16 мм

число гранейп 6

фокусное расстояние цилиндрической линзы f ул 12,82 мм размер пишущего пятна 85 х 80 мкм размер строки 195 мм

Основные характеристики фокусирующего объектива;,

фокусное расстояние fo6 136,4 мм угловое поле рабочееWp 40°48

задняя числовая апертура Ау 0,01 номинальное положение входного зрачкаSp -30 мм

0,12 #у0.1 50° 0,52 ,5 - 10° 0,12 #«о. 16°

2У 0,2 мм Ау - 0,423

Сущность предлагаемого изобретения представлена на фиг.1-3.

На фиг.1 дана оптическая схема устройства, на которой 1 - источник света, лазерный излучатель; 2 - объектив коллиматора, 3 - эллиптическая диафрагма; 4 - четвертьволновая пластинка, служащая для устранения влияния поляризации света, 5 - вращающийся зеркальный барабан с шестью гранями, 6 - фокусирующий объектив, 7 - плоское зеркало, отклоняющее ход лучей на 90°, 8 - цилиндрическая линза, 9 - светочувствительная поверхность вращающегося барабана.

На фиг.2 представлена оптическая схе- ма фокусирующего объектива с цилиндрической линзой с конструктивными данными в меридиональном сечении; на фиг.З - оптическая схема фокусирующего объектива с цилиндрической линзой в сагиттальном сег чении; на фиг.4 - графики аберраций фокусирующего объектива с цилиндрической линзой.

В плоскости у (меридиональной плоскости) объектив коллиматора формирует па- раллельный пучок, т.е. переносит изображение светящегося тела излучателя в бесконечность. Размер этого параллельного пучка ограничивается диафрагмой 3. При попадании на вращающийся зеркаль- ный барабан пучок лучей отклоняется на угол ± , пройдя через объектив 6, фокусируется после отклонения зеркалом 7 и, пройдя через цилиндрическую линзу 8, которая в этом сечении обладает нулевой си- лой, т.е. эквивалентна плоско-параллельной пластинке, на светочувствительной поверхности, формируя на ней пишущую строку длиной 2 устр. размер пишущего пятна равен 2 Д +2 . Апертуре фокусирующего объ- ектива 6 обеспечивает нужный размер пишущего пятна в соответствии с теорией дифракции. Плоскость фотоприемника канала датчика начала строки оптически сопряжена со светочувствительной поверхностью в меридиональном сечении. Таким образом, горизонтальный размер пятна в плоскости фотоприемника такой же, как и на барабане.

В сагиттальной плоскости, т.е. в сече- нии х, схема формирования пятна несколько другая. Для того чтобы ослабить допуски на пирамидальность зеркальной призмы барабан и допуски на его торцевое биение при вращении, необходимо проектировать на светочувствительную поверхность в сагиттальной плоскости не изображение источника, а изображение диафрагмы 3, расположенной вблизи зеркальной призмы 5. Для того, чтобы сопрячь оптически диафрагму 3 и поверхность записываемой строки 9 в сагиттальной плоскости, вблизи строки 9 устанавливается цилиндрическая линза 8, обеспечивающая указанное сопряжение. Она имеет отличную от нуля оптическую силу только в сагиттальной плоскости.

Важным преимуществом предлагаемого изобретения является построение оптической схемы для линейного развертывающего устройства с вращающимся зеркалом таким образом, что она работает независимо в двух сечениях - меридиональном и сагиттальном, что обеспечивает высокое качество изображения, надежность работы прибора, его стабильность, малое влияние технических погрешностей при простых конструкциях отдельных компонентов -фокусирующий объектив и объектив коллиматора со сферическими поверхностями и цилиндрическая линза.

Формула изобретения

1.Оптическая система линейного развертывающего устройства, содержащая источник излучения, объектив коллиматора, многогранное зеркало, установленное с возможностью вращения, фокусирующий объектив, цилиндрическую линзу с образующей, параллельной меридиональному сечению оптической системы, и барабан со светочувствительной поверхностью, установленный с возможностью вращения вокруг оси, параллельной меридиональному сечению оптической системы, отличающаяся тем, что, с целью повышения равномерности и прямолинейности линий сканирования на светочувствительной поверхности и улучшения технологичности, между объективом коллиматора и многогранным зеркалом установлена диафрагма, оптически сопряженная в сагиттальном сечении со Светочувствительной поверхностью барабана через фокусирующий объектив и цилиндрическую линзу с уменьшением.

2.Система по п.1,отличающаяся тем, что, с целью уменьшения размеров пятна излучения на светочувствительной поверхности и максимального использования энергии источника излучения, диафрагма выполнена эллиптической.

3.Система по п.1,отличающаяся тем, что, с целью повышения однородности пятна излучения и линейности смещения вдоль линии сканирования, фокусирующий объектив выполнен из двух положительных менисков со сферическими поверхностями, обращенных вогнутостью к многогранному зеркалу, с соотношением оптических сил 1.74:1,83.

f00 0

s

Г-

Использование: в области оптического приборостроения. Сущность изобретения Фиг.7 заключается в том, что оптйческа я система содержит источник излучения 1, объектив коллиматора 2, многогранное зеркало 5, установленное с возможностью вращения, фокусирующий объектив 6, цилиндрическую линзу 8 с образующей, параллельной меридиональному сечению оптической системы, барабан 9 со светочувствительной поверхностью, установленный с возможностью вращения вокруг оси, параллельной меридиональному сечению оптической системы, эллиптическую диафрагму 3, установленную между объективом коллиматора 2 и многогранным зеркалом 5. 2 з.п. ф-лы. 4 ил. Я со С ч со Јь О 00 4

S{ «4 5

к О 5

° 5 -

I V. ,I

I

eevef/ve и

.

$№)

ч,о to 4#

r$J2 -3t«

-10 0 1,0 At°/-1.0 0 4,0

сечъние „ x

Wtp.K$. - 0,

&

ys4w)

УЧьЛкн)