Оптическая система линейного развертывающего устройства

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕспуБлик ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(21) 4815334/10 (22) 19.03.90 (46) 30.12.92, Бюл. М 48 (71) Орловский филиал Института проблем информатики АН СССР (72) С,А.Родионов; А,В.Буцевицкий, А.В.Иванов, Л.Н,Курчинская, А,А.Шехонин, М,Н,Сокольский, В.Г,Шуметов и Г.В.Калмы- ков (56) Патент США М 4496209 кл. 6 02 В 27/17, опублик. 1985. (54) ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЛИНЕЙНОГО РАЗВЕРТЫВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА (57) Использование: в области оптического" приборостроения. Сущность изобретения7 2заключается в том:, что ойтическаясистемасодержит источйик излучения 1, объектив коллиматора 2; многогранное зеркало 5, ус-тановленное с возможностью вращения, фокусирующий объектив 6, цилиндрическую линзу 8 с образующей, йараллельной меридианальному сечению ойтической системы, барабан 9 со светочувствительной поверхностью, установленный с воэможностью вращения вокруг оси; параллельной меридиональному сечению оптической системы, эллиптическую диафрагму 3, установленную между объективом коллиматора 2 и многограййым зеркалом 5. 2 э.п, ф-лы, 4 ил.31784937 3, 4Изобретение относится к области опти-цилиндрическим элементом. Цель применеческого приборостроения, а именно клазер- ния этой системы линз состоит в релаксацииным печатающим устройствамтребуемого допуска на ась вращения к углуИзвестна сканирующая и печатающая . грани вращающихся зеркала для оптичесистема, позволяющая работать при атно скихразвертывающихустройств,.сительно больших допусках на шаговые уг- Но данная оптическая система требуетлы граней зеркала .в развертывающих точной юстировки, поэтому не обеспечиваетустройствах с вращающимися зеркалами;надежность работы прибора. Кроме того,Какописано"в этом патенте, здесь применя- качество изображения не соответствует треют цилиндрическую линзу длясоздания 10 бованиям, предъявляемым ктакоготипаопизображения светового пучка по одномутическймсистемам,азимуту к линии на грани мнотостороннего Известна оптическая система линейновращающегося зеркала и вторую цилиндри- го развертывающего устройства, содержаческуюилитороидальнуюлинзудля приема щая источник излучения, объективи реколлимации света; отраженного от вра коллиматора, многогранйое зеркало, устащающегося зеркала, а также сферическую . новленнде с воэможностьв вращения, фолинзу для фокусировки пучка по обойм ази-. кусирующий обьектив, цилиндрическуюмутальным углам в небольшое пятно на ли- линзус образующей, параллельной меридинйи; подлежащей развертке; В известных : ональйому сечению оптической системы, исистемах с любым заметййм углом отклоне барабан сосветочувствительной поверхно-.ния следует использовать тороидальнуюстью, установленнйй с возможность О вралинзудля реколлимации пучка, отраженно- щения вокруг оси,параллельнойго от зеркала, с тем, чтобы обеспечить кол- . меридиональному Сечению оптической сислимацию пучка на протяжении полного углатемы (патент США й. 4496209).отклонения. ",25; . Однако этой системе-свойственны недоИзготавливать торойдальнйе линзы статочновысокие равномерность и прямоочень трудно и дорого, поэтому во многих линейность линии сканирования наслучаях использование тороидальной лйн-. светочувствительной поверхностй, а такжезы удовлетворительного качества в систе-сложность конструкции.мах с очень высокой разрешающей 30 Целью изобретения является повышеспособностью является экономически неце- ние равномерности й прямолинейности лилесообразным, не обеспечивает надеж- нии сканирования-на светочувствительнойность при работе такой оптической системы поверхности и улучшение технологичности(не устойчива к разъюстировке). :Поставленная цель достигается тем, что .Известна оптическая система сканиро в оптической системе линейного развертывания для лазерных печатающих"устройств,: вающего устройства, содержащей источник .Но укаэанная оптическая система явля- излучения, объектив коллиматора, многоется. сложной по конструкции, т.к, сложна: гранное зеркало, установленное с возможюстировка такого прибора и поэтому мала .ностью вращения, фокусирующий объектив, .надежность в его работе, .40 цилиндрическую линзу с образующей, паИзвестна оптическая система для ли-. раллельной меридиональному сечению опнейного развертывающего устройства с тической системы, и барабан совращающимся зеркалом, где система "линз светочувствйтельной поверхностью, устасоздает изображение поверхности вращаю- новленный С вбзможностью вращения вокщегося зеркала на плоскости развертки по 45 руг оси, параллельной меридиональному" азимуту, перпендикулярному к плоскости . сечению оптйческой системы, между объекоткланения пучка. в то же время вводя"кол- тивом коллиматора и многогранным зеркалимированные лучи источника света в пло- лом установлена диафрагма, оптическискости отклонения пучка с целью сопряженная в сагиттальном сечении софокусировки на одной и той же линий раз светочувствительной поверхностью ба абавертки на через фокусирующий объектив и цилиндС целью обеспечения необходимой раз-рическую линзу с уменьшением,ности оптичеСкой силы линзы по двум йор- В оптической системе также, с цельюмально расположен ньм азймутам и ученьшения размеров пятна излучения навыравнивания поля сфокусированного раз светочувствительной поверхности и максивертывающего пучка отрицательной опти- мального йспользовайия энергии истоцникаческий элемент с осью, перпендикулярной к . излучения, диафрагма выполнена эллиптийлоскости отклонения, используют в сочета- ческой,ниис положительнымсферическимэлемен- Кроме того, в оптической системе, стом или полокительным сферическим и целью повышения однородности пятна излучения и линейности смещения вдоль ли- тывалось, что, чем ближе диафрагма распонии сканирования, фокусирующий объектив лагается к грани, тем меньше влияние повыполнениздвухположительныхменисков грешностей изготовления и сканированиясо сферическими поверхностями, обращен- призмы на поперечные смещения сканируных вогнутостью к многогранному. зеркалу, 5 ющей строки, т.е. проще обеспечиваютсяс соотношением оптических сил 1,74:1,83. приемлемые технологические допуски наФокусное расстояние фокусирующего . изготовление призмы (пиьрамидальность) иобъектива выбирается оптимальным исходя допуски на торцевое биение призмы. С друиз габаритов самого объектива и габаритов гой стороны, необходимо учитывать удобст-сканирующего приэменного барабана, ко во расположения компонентов и габаритыторые связаны друг сдругом,всей системы, Так, для рассчитанного приОбъектив коллиматора формирует па- . мера расстояние от диафрагмы до гранираллельный пучок лучей; поэтому источник призмы 60 мм. Исходя иэ удобств и упросвета (лазер) находится в передней фокаль- .щения оптической схемы, целесообразноной плоскости обьектива. коллиматора. 15 разместить диафрагму в переднем фокусеОбъектив кбллиматора должен полно- фокусирующего объектива.стью заполнить эллиптическую диафрагму, Цилиндрическая линза имеет оптичекоторая располагается в передней фокаль-. скую силу только в сагиттальномсечении иной плоскости объектива.: . служит для формирования пятна в вертиРазмеры диафрагмы определяются на 20 кальной плоскости. Из размера пятна в вероснове соотношения связи входных и вы- " тикальгной плоскости и фокусногоходных апертур через фокусное расстояние расстояния фокусирующего объектив опреили увеличение фокусирующего объектива, деляетсяфокусное расстояние цилиндричеРазмердиафрагмы в меридиональном сече- ской линзы в сагйттальном сечении;нии Оу больше, чем в сагиттальном 25 Диафрагма, распологжоеннаея"вффкопкоуисе фокуОк(ох О=1 /3).сирующего объектива, проектируется объПриусловиииспользованиявсейчисло- . ективом и цилиндрической линзой навой апертуры лазерного излучателя в мери- . светочувствительную поверхность бараба.- диональном сечении фокусное расстояние на.коллиматора находится по формуле: 30 При расположении диафрагмы в пере" . днем фокусе фокусирующего объектйва фокОл 2 А кусное расстояние цйлйндрической линзыгде Ау - числовая апертура лазерного излу-.:.находится по формуле:чателя в меридиональной плоскости. ул = Рх обОбъектив коллиматора получается ко-. 35 для рассчитанного примера 1 у = 12 82 мм.роткофокусным с большой апертурой. Для " Входная грань сканирующей призмыконкретного рассчитанного варианта, на-совпадает с входным зрачКом фокусируюпример. объектив коллиматора состоит из щего объектива. Такое положение оптитрехменисковыхлинзсосферическимипо- мально, поскольку при вращении призмыверхностями и имеет 1 кол - 3,32 мм, Ау = 40 центр зрачка смещается,=0,43. : : Одной из проблем расчета фокусируюЗадняя апертура фокусирующего объ-щего объектива является специфическаяектива в меридиональном сечении.опреде-коррекция дисторсии, необходимая для то-"ляется исходя из размеров пишущего пятйа.го, чтобы величина изображения у, формиВыражение для инварианта в этом про руемого объективом, была бы. странстве имеет.виду= Ау пу, где пу - раэ-: пропорциональйа не тангенсу входного помер пятна в меридиональном сечении. левогоугла, какэтообычнопринятовоптиЗначения инвариантов в меридиональном ике, а самому углу и, т,е. требуетсясагиттальном сечениях определяются иэислправля- дисторсию по углу. В относизначения числовых апертур лазерного излу тельной мере эта дисторсия выражается со. чателя, отношением; .Углоеое поле фокуоиоующего обьекгиеа у - к огопределяется из условия обеспечения запи- .= д =си строки на всей ее.заданной длине,где ч=. - обобщенное увеличение объектиВ данном конкретном случае угловое 55 ва, равное в данном случае его переднемуполе сос 1 авляет 90 О. Значение фокусного фокусному фотограмметрическому расстоярасстояния было принято 1 об = 136,4 мм,1При определении расстояния от диаф- Особенностью этого уравнения являетрагмы до грани вращающейся призмы учи- ся то, что записанная дисторсия является1784937 так называемой глобальной дисторсией. В данной оптической системе зональная относительная дисторсия по углу не должна превышать 1%. Так-, -ири "расчете"оптики рассматривается и корригируется глобальная дисторсия, поэтому необходимо изучить связь глобальйой "изональной дисторсии, Эта связь дается следующим соотношением.д =р +)(1+д+ дг) 1 - 1 10где р =. - - относительная полевая ко-,1айвахордййата.15При малых величинах относительнойглобальйой дисторсии Лмбжно записать; до =-д= 4 С 1-12 С 20=.0 бд ц д-(1-Л)(1-Л- - р)-1; (1)дЛ 20.у ),даах =, б 1- 4 С 1- 6 С 2, Для типов объективов, пригодных в данной схеме, как правило, можноаграничиться диСторсией так называемого третьего и пятого порядков, т.е., представить относи тельную глобальную дисторсию в виде:", но таккак 0 Ошах 1, то, полагая Овах=1 вхудшем случае получаем на. зоне даах 2 С 1 =4 йл - йИз ф-лы (5) следует, что оптимальнаяформа коррекции глобальной дисторсии соответствует условию равенства ее на краю и зоне:35(6) 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 койструкцию, т.к; коррекцию аберраций надо проводить в меридиональном 50 сечении по полю; в сегиттальном сеченииработает 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 в Я/4 или величиной,среднеквадратической волновой аберрации вха, которая по Й = С 1+Сг Ьг = 1/2 С 1+1/4 С 2,д = - 4 С 1 0 - бСг О,(4) Л = С 1 Р + Сг р = С 1 0 + С 2 01, (2) где СъС 2 - коэффициенты третьего и пятогопорядков, О = рг,При этом - - р=2 С 1 О+4 С 2 ОдЛ: -гр Подставляя в ф-ле(1), получйм;,д =(1 - С 10 - С 20 (1 - ЗС 10 - 5 С 20 )-1, (3)Расснотрим значения относительнойдисторсии на краю поля,.т,е, йри О ==1 ина зоне; т.е, при О = 0,5, р =0,707 = КГ 5:Л 1 = Ь(1); Й,7 = ЙО = 1/0,5),"Из ф-лы (2) имеем откудэ С 1 = 4 Ьд - Ь; Сг = 2 Л - 4 Ьр "Прейебрегая в ф-ле (3) квадратами величинС 1, С 2, получим. В зависимости от соотношения коэффициентов С 1 и С 2 максимальное значение зональной дисторсии может быть либо на краю поля при О = 1, либо на зоне. Найдем координату этой зоны, дифференцируя (4): откудаС 1 2 С 1Оеах = -- , даах = -- ф3 2 3 С 2Если 0Ьпах 1, то максимальное значение "достигается на зоне, если нет, то на краю, поскольку в этом случае максимум лежит за пределами поля, В этом последнем случае Из ф-лы (За) следует двах =д 1 =-8 Й +86 о,т на краю дух = -2 С 1 Оаах на зоне,При этом из ф-лы (6) следует, что для удовлетворения требованию д1% необходимо, чтобы4 Й;7 - Л 1 =3 Ь 1 1 % или Ь 11/3%марешалевскому допуску должна удовлет- пятна и. величина волновой аберрации объворять условию: ектива не должна превосходить Л/4 илисреднеквадратическая волновая аберрация03 ко Л/14 =007 Лвск должна удовлетворять условию5 вск, Л/14 =0,07 Л (марешалевский доСтрого говоря, коллиматорный объек-пуск).тив работает с точечным источником излуче- В сагиттальном сечении фокусирующийния, размер которого (2 ау) определяется по обьектив и цилиндрическая линза должныформуле иметь величину волновой аберрации не бо.10 лее Л/4 или среднеквадратическую волно-2 ау= Л/Ау: вую аберрацию вск, Л/14.=0,07 Л . Вприведенном варианте реализации предлои имеет порядок 2 ау =0,78/0,423=1,8 мкм, женной оптической системы для линейногоОднако практическиточностьустановки . развертывающего устройства с вращаюлазерного излучателя может составлять Ве. 15 щимся зеркалом;личину порядка+-0,1 мм. Поэтому коллима- . Источник света - лазерный излучательторный объектив должен иметь волновую ИЛПНсоследующимихарактеристикааберрацию не более Л/4 (в Л/4) или . ми:среднеквадратическую волновую аберра-: длина волны иэлучецию не боле 0,7 Л(вскв0,07 Л) для величи ния Л =780+-20 нм=078+-0,2 мкм/ны линейного поля+-0,1 мм, . ширина линии излучения Ы= 0,1 нмАберрационный расчет пройзводился размер тела излучениясовместно с фокусирующим объективом и в горизонтальнойцилиндрической линзой, которая в мериди-: . плоскости2 ау = 0,5- 1 мкмональном сечении эквивалентна плоскопа , в вертикальнойраллельной пластинке, а в сагиталльном: плоскости " ,.2 ах = 3 - 5 мкмимеет оптическую силу, . -, индикатрисса йэлученияФокусирующий обьектив по качествув горизонтальной плосизображения пишущего светового пятна от-,. " - кости на"уровйе0,52 Я,о в = 30носится к классу дифракционно-ограйичен . в горизонтальной плос-ных оптических систем, в которых размер . кости на уровне 0,12 оуо,1 -50пятна 2 пу) определяется дифракцией, т,е.:, в вертикальной плос 2 пу -Л/Ау 2 Лу "0,78/0,01=.78 мкм,:костинауровйе 0,52 фо 5 =10)где Ау - задняя числовая апертура обьекти-. в вертикальной плос-кости на уровне . 0,12 фьо, = 16о ая величина меридиональной: Основные характеристики объективакривизны иэображения (Лп 1 ) на рабочем коллиматора.поле определяется из условия дифракцион- "фокусное расстояние . "1 кл = 3,22 ммногофкачества иэображения пишущего пят-: линейное поле в простна, Известно, что оптическая система 40 ранстве предметов 2 =0,2ранстве предметову =, ммсчитается безаберрационной (дифракцион- числовая апертургв про-но-ограниченной),еслидопустимаяостаточ-: .странстве предметов . А =-0,423ная волновая аберрация ( ю ) не средняя квадратическаяпревосходит величину Л/4, т.еж Л/4: . волновая аберрация ш = 0,073 Л45скв -(реллевский допуск). размер грани много- Волновая аберрация, обусловленная, . гранногд отражающеготолько РасфокУсировкой, опРеделЯетсЯ как, зерала " "" ( = 16 ммо = в 2 о/Р, где р- относительнаякоордина--число граней . и = 6та назрачке; ого- коэффициент волновой" фокуьное расстояниеаберрации(расфокусировка). Для края зрач- цилиндрической лйнзы 1 у = 12,82 ммка.(р= 1) при со Л/4, получаем в 2 о Л/4, размер пишущего пятна 85 х 80 мкм.Кривизна изображения 2 т определяется по размерстроки " "" 195 мм формуле у= 2 в 2 оЛ(А) )2 доп ст,мо Основные характеристики фокусирующегозначение меридиональной кривизны изо. 55" Ок ;:объектива;бражения фокусирующего объектива нахо- .фокУсное РасстоЯние Ьб = 136,4 мм дится как Еп, 2(0,78/4)/(0 01) угловое поле рабочее и = 4048Остальные аберрации Фокусирующего задняя числовая апертура А = 0,01объектива ввиду малости его апертуры йевлияют на качество иэображения пишущего входного зрачка яр = -30 ммСущность предлагаемого изобретения рагму 3 и поверхность записываемой строки представлена на фиг.1-3. 9 в сагиттальной плоскости, вблизи строки 9Ха фиг,1 дана оптическая схема устрой- устанавливается цилиндрическая линза 8, "тва, на которой 1 - источник света, лазер- обеспечивающая указанное сопряжение.ный излучатель; 2 - объектив коллиматора, 5 Она имеет отличную от нуля оптическую си - эллиптическая диафрагма; 4 - четверть- лу только в сагиттальной плоскости, волновая пластинка,служащая для устране- Важным преимуществом предлагаемония влияния поляризации света, 5 - го изобретения является построение оптивращающийся зеркальный барабан с шес- ческой схемы для линейного тью гранями, 6 - фокусирующий объектйв,7 10 развертывающего устройства с вращаю - плоское зеркало, отклоняющее ход лучейщимся зеркалом таким образом, что она ра- на 90 О,8-цилиндрическаялинза,9-свето- ботает независимо в двух сечениях - чувствительная поверхность вращающего- меридиональном и сагиттальном, что обесся барабана. печивает высокое качество изображения,На фиг.2 представлена оптическая схе надежность раббты прибора, его стабильмафокусирующегообъектива с:цилиндриче- ность, малое влияние технических погрешской линзой с конструктивными данными в ностей при простых конструкциях меридиональном сечении; на фиг.3 - опти. отдельных компонентов -фокусирующий чекая схема фокусирующего обьектива с . обьектив и объектив коллиматора со сферицилиндрической линзой в сагиттальном се.- 20 ческими поверхностями и цилиндрическая чении; на фиг,4 - графики аберраций фоку- линза.сирующего объектива с цилиндрической . Фо"рмула изоб"ретени я линзой, , , ,1, Оптическая система линейного раз-:В плоскости у(меридйональной плоско- вертывающего устройства, содержащая иссти) объектив коллиматора формирует па точник излучения, объектив коллиматора,раллельный пучок, т.е. переносит многогранное -зеркало; установленное сизображение светящегося тела излучателя возможностью -вращения; фокусирующий в бесконечность. Размер этого параллель- объектив, цилиндрическую линзу с образую- ного пучка ограйичивается диафрагмой 3, щей, параллельной меридиональному сечеПри попадании на вращающийся зеркаль нию оптической системы, и барабан со ный барабан пучок лучей отклоняется на светочувствительной поверхностью, уста-угол + ви, пройдя через объектив 6, фоку-новленный с возможностью вращения воксируется после. отклонения зеркалом 7 и,руг оси, параллельной меридионзльному пройдя через цилиндрическую лийзу 8, ко- сечению оптической системы; о т л и ч а юторая в этом сечении обладает нулевой си щ а я С я тем,что, с целью повышения лой, т,е. эквивалентна плоско-параллельной равномерности и прямолинейности линий пластинке, на светочувствительной поверх- . сканирования йа светочувствительной по- .ности, формируя на ней пишущую строку верхности и улучшения технологичности, длиной 2 устр,размерпишущегопятнаравен между объективом коллиматора. и много Й +2 Ьу. Апертуре фокусйрующего объ гранным зеркаломустановлена диафрагма, ектива 6 обеспечивает нужный размер пи- оптически сопряженная в сагиттальном сешущего пятна в соответстйии с теорией чении со светочувствительной поверхно- .дифракции. Плоскость фотоприемника "ка- стью барабана через фокусирующий нала-датчика начала строки оптически со- объектив и цилиндрическую линзу сумень- .и ряжена со светочувствительной 45 шением.поверхностью в меридиональном сечении. 2. Система по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я Таким образом, горизонтальный размер тем, что, с целью:уменьшения размеров пятпятнавплоскостифотоприемникатакойже,на излучения йа светочувствительной покак и на барабане:верхности и максимального использованияВ сагиттальной плоскости, т.е, в сече энергии источника излучения, диафрагма нии х, схема формирования пятна несколько выполнена эллиптической.. другая. Для того чтобы ослабить допускй на 3. Система по п.1, о т л и ч а ю щ а я с япирамйдальность зеркальной призмы бара-. тем, что, с целью повышения однородности . бан идопуски на его торцевое биение при пятна излучения и линейности смещения вращении, необходимо проектировать на 55 вдоль линии сканирования, фокусирующий светочувствительную поверхность в сагит- объектив выполнен из двух положительных тальной плоСкоети не изображение источ- менисков со сферическими поверхностями; ника, а изображение диафрагмы 3, обращенных вогнутостью к многогранному расположенной вблизи зеркальной призмы зеркалу, с соотношением оптических сил 5. Для того, чтобы сопрячь оптически диаф.74:1.83.1784937 Мор сне КИ ХУ, ОВ 2, ОО ГЮ 7