DE2917163A1

DE2917163A1 - Optisches aufzeichnungssystem

Info

Publication number: DE2917163A1
Application number: DE19792917163
Authority: DE
Inventors: Takashi Kitamura; Kazuo Minoura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1978-04-28
Filing date: 1979-04-27
Publication date: 1979-11-08
Also published as: JPS54143661A; GB2025651A; US4253724A; JPS6314328B2; GB2025651B; DE2917163C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Aufzeichnungssystem, bei dem als Lichtquelle ein Halbleiterlaser Verwendung findet.

Bekanntermaßen setzt sich ein solches optisches System, das z.B. als Abtastsystem ausgebildet ist, üblicherweise gemäß Figur 1 aus einer z.B. aus einem He-Ne-Laser oder einem Ar-Laser bestehenden Laserlichtquelle 1, einem Modulator 2 zur Modulation des von dem Laser abgegebenen Lichtstrahls, einer z.B. aus einem Polygon-Drehspiegel zur Ablenkung des modulierten Lichtstrahls bestehenden Ablenkeinrichtung 3$ einer Abtastlinse if und einem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial 5 zusammen. Ein übliches optisches System dieser Art weist jedoch den Nachteil auf, daß nicht nur der Laser, sondern auch der Modulator teuer sind. Außerdem ist auch der von dem Laser und dem Modulator in dem gesamten System benötigte Platz nicht vernachlässigbar, da der Laser selbst erheblich große Abmessungen aufweist und der Modulator einen Bereich von 200 - 300 mm in dem optischen Weg benötigt. Im Gegensatz zu diesem üblichen System ermöglicht die Verwendung eines direkt modulierbaren

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Deutsche Bank (München) KIo. 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939644 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

Halbleiterlasers den Aufbau eines billigen kompakten Systems*

Zwar ist ein optisches System, bei dem ein Halbleiterlaser als Lichtquelle Verwendung findet, bereits z,B. aus den Zeitschriften RCA Review, Band 35» September 1974» Seiten 335 - 3^0, und RCA Review, Band %, Dezember 1975, Seiten 7Mf - 758, bekannt, jedoch weist der gemäß diesen Druckschriften verwendete Laser in Abhängigkeit von Stromschwankungen im Betrieb beträchtliche Änderungen des Schwin-'0 gungstyps bzw. Wellentyps auf, was zu beträchtlichen Schwankungen der Größe eines fokussierten Lichtpunktes führt. Mit einer solchen Mehrfachwellentyp-Lichtquelle kann in einem Aufzeichnungssystem keine zufriedenstellende Bildqualität erzielt werden.
·

Außerdem tritt bei einem Halbleiterlaser allgemein ein Astigmatismus dahingehend auf, daß die Position der Strahlbündelung bzw. Strahleinschnürung in der parallel zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden

^ζυ Ebene sich von der Position in der senkrecht zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden Ebene unterscheidet. Aus diesem Gründe ist es im allgemeinen sehr schwierig, einen Strahlenpunkt mit einem gewünschten Durchmesser und einer ausreichenden Lichtintensität auf einem

^Ό photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial zu erhalten, was zu Einschränkungen der Bildauflösung führt.

Obwohl ein solcher Astigmatismus sicherlich korrigierbar ist, erfordert das hierfür benötigte optische System aufwendige Justierungen, die in Bezug auf eine industrielle Herstellung unvorteilhaft und unerwünscht sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein optisches

Aufzeichnungssystem derart auszugestalten, daß bei Verwendung

eines Halbleiterlasers als Lichtquelle eine zufriedenstellende

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- 6"^;- ^: B"9653 ^; ■■' Bildqualität erzielbar ist.

Darüberhinaus soll ein optisches Aufzeichnungssystem geschaffen werden, das eine ausreichende Bildauflösung ohne eine vollständige Korrektur des vorstehend beschriebenen Astigmatismus eines Halbleiterlasers ermöglicht.

Ferner soll ein optisches Aufzeichnungssystem derart ausgestaltet werden, das auf einem photoleitfähigen '^ Aufzeichnungsmaterial die für die Aufzeichnung erforderliche Lichtintensität erzielt und dennoch der Durchmesser des Lichtstrahlenpunktes auf dem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial minimal gehalten wird.

'^ Diese' Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1

angegebenen Mitteln gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Aufzeichnungssystem werden somit der in der Parallelrichtung zu der Uber-

gangszonenebene des Halbleiterlasers divergierende Laserstrahl und der in der senkrechten Richtung zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers divergierende Laserstrahl mittels eines jeweils eine unterschiedliche Bildvergrößerung in diesen beiden Richtungen aufweisenden optischen Systems derart fokussiert, daß die foküssierten Lichtpunkte der Laserstrahlen in diesen zueinander orthogonalen Richtungen innerhalb einer Beugungsgrenze beabstandet sind, wobei die Aufzeichnungsebene in einer beliebigen Position zwischen den Fokussierpositionen in den beiden Richtungen angeordnet wird. Im ein-

zelnen ist hierzu zwischen dem Halbleiterlaser und der Aufzeichnungsebene ein optisches Abbildungssystem angeordnet, das ein anamorphotisches optisches System umfaßt, mit dessen Hilfe der Abstand zwischen der Fokussierposition des in der Parallelrichtung zu der Ubergangszonenebene des Halbleiter-

lasers divergierenden Laserstrahls und der Fokussierposition des in der senkrechten Richtung zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers divergierenden Laserstrahls im wesentlichen

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- 7 - B "9653

innerhalt der Beugungsgrenze gehalten wird, während gleichzeitig eine gewünschte Lichtintensität in der Aufzeichnungsebene gewährleistet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Aufzeichnungssystem findet ein Halbleiterlaser Verwendung, der als sogenannte kohärente Lichtquelle behandelt werden kann, die unabhängig von äußeren StöreinflUssen, wie Stromschwankungen, in der Lage ist, konstant einen einzigen Schwingungswellentyp aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
·

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines üblichen Abtastsystems,
20

Figur 2 eine schematische Darstellung der von einem Halbleiterlaser ausgehenden Strahlen,

Figur 3 eine optische Anordnung einer Außführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems bei einem Abtastsystem,

Figuren k (a) und if (b) schematische Darstellungen zur Veranschaulichung von Einzelheiten des zylindrisehen optischen Systems gemäß Figur 3»

Figuren 5 und 6 Diagramme, die die Lichtmenge veranschaulichen, die das optische System als Funktion des Einfallwinkels von dem Halbleiterlaser aufnimmt, 35

Figur 7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen

SO9845/0902-

dem Maximum und dem Minimum des Absolutwertes des Brennweiten-Verhältnisses der zylindrischen plankonvexen und plankonkaven Linsen gemäß Figur 3 veranschaulicht,

Figur 8 ein Diagramm der Lichtverteilungscharakteristik des Halbleiterlasers,

Figur 9 eine Querschnittsansicht der Objektivlinse gemäß Figur 3»
10

Figur 10 eine Querschnittsansicht des Zylinderlinsensystems gemäß Figur 3»

Figur 11 eine Querschnittsansicht der Abtastlinse gemäß Figur·3>

Figur 12 eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung der Objektivlinse gemäß Figur 9»

Figur 13 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausgestaltung der Objektivlinse,

Figur 1/f eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung der Zylinderlinse,
25

Figur 15 ein Diagramm der Kollimationsleistung des Objektivs gemäß Figur 9,

Figur 16 ein Diagramm der Charakteristik des von der Zylinderlinse gemäß Figur 10 ausgehenden Parallelstrahls,

Figuren 17 (a) und 17 (b) ein Diagramm der charakteristik der Abtastlinse gemäß Figur 11, 35

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- 9—- - B-9653 ^: -♦

Figur 18 ein Diagramm der Charakteristik der Objektivlinse gemäß Figur 12,

Figur 19 den Abbildungszustand eines Strahlenpunktes,

Figur 20 den Versetzungszustand des Strahlenpunktes und

Figuren 21 (a) und 21 (b) Ansichten, die das Verfahren der sich überlagernden Aufzeichnung von Strahlenpunkten veranschaulichen.

In Figur 2 ist die Emission eines Laserstrahls bei einem im Rahmen der Erfindung verwendbaren Halbleiterlaser schematisch veranschaulicht. Hierbei bezeichnet die Bezugszahl 6a den Ausgangspunkt bzw. Divergenzursprungspunkt des Laserstrahls in einer senkrecht zu der Ubergängszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden Ebene S, während die Bezugszahl 6b den Ausgangspunkt bzw. Divergenzursprungspunkt des Laserstrahls in einer parallel zu der Übergangszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden Ebene J bezeichnet.

Bekanntermaßen ist ein solcher Halbleiterlaser direkt modulierbar und weist den Vorteil auf, daß mit seiner Hilfe bei einem Abtastsystem eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung erzielbar ist. Die Erfindung wird daher nachstehend in Verbindung mit ihrer Verwendung bei einem Abtastsystem beschrieben.
30

In Figur 3 ist die Anordnung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems in Verbindung mit dessen Verwendung bei einem Abtastsystem veranschaulicht, wobei ein in einer senkrechten Ebene zu der tJbergangszonenebene eines Lasers 7 von dem Divergenzursprungspunkt 6a und

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-B 9&

in einer parallelen Ebene zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers von dem Divergenzursprungspunkt 6b ausgehender Laserstrahl auf eine Objektivlinse 8 fällt und in einen parallelen Strahl von einem Zylinderlinsensystem 9 umgewandelt wird, das in der Parallelrichtung zu der Ubergangszonenebene des Lasers 7j jedoch nicht in der senkrechten Richtung zu der Ubergangszonenebene eine Brechkraft aufweist und zur Vergrößerung des Strahlendurchmessers in der Parallelrichtung, zu der Ubergangszonenebene dient.

Der Brennpunkt der Objektivlinse 8 liegt in der Ausgangsposition bzw. Divergenzursprungsposition des Strahles in der senkrecht zu der Ubergangszonenebene verlaufenden Richtung, wobei der Brennpunkt der Objektivlinse 8 sowie des Zylinderlinsensystems 9 in der Parallelebene zu der Ubergangszonenebene des Lasers 7 innerhalb der Beugungsgrenze zu der Ausgangsposition bzw. Divergenzursprungsposition des Strahles in der Parallelebene angeordnet ist.

Wie in Figur k (a) im einzelnen veranschaulicht ist, besteht das Zylinderlinsensystem 9 in der Parallelebene zu der Ubergangszonenebene des Lasers 7 aus einer an der Strahl eintrittsseite angeordneten plankonkaven Zylinderlinse 9a» die an ihrer Strahleintrittsseite eine konkave und an ihrer Strahlaustrittsseite eine ebene Linsenfläche aufweist, und aus einer an der Strahlaustrittsseite angeordneten plankonvexen Zylinderlinse 9b, die an ihrer Strahleintrittsseite eine ebene und an ihrer Strahlaustrittsseite eine konvexe Linsenfläche aufweist. Diese Linsen haben einen zusammenfallenden bzw. gemeinsamen Brennpunkt, so daß ein afokales System gebildet wird, das bei Eintritt eines parallelen Strahles in die plankonkave Zylinderlinse 9a über die plankonvexe Zylinderlinse 9b einen parallelen Strahl abgibt.

in der senkrecht zu der Ubergangszonenebene des

809846/090Ä

" *ⁿ~~' B 9653

Lasers 7 verlaufenden Ebene weist das Zylinderlinsensystem 9 keine Brechkraft auf, wie dies in Figur 4(b) dargestellt ist, so daß ein einfallender Strahl unverändert hindurchtritt.

Der aus dem Zylinderlinsensystem 9 gemäß Figur 3 austretende Lichtstrahl wird von einem Ablenkspiegel 10 abgelenkt und von einer Abtastlinse 11 auf ein photoleitfähiges Material 12 fokussiert, das in der Nähe der Brennebene der Abtastlinse 11 angeordnet ist. Für einen gegebenen astigmati-

'0 sehen Abstand zwischen den Ausgangspunkten bzw. Divergenzursprungspunkten des Strahles in den vorstehend beschriebenen, zueinander senkrechten Richtungen gemäß Figur 2 unterscheidet sich der Brennpunkt 6a¹ des in der senkrechten Ebene zu der Übergangszonenebene des Lasers 7 divergierenden und von dem

'** gesamten optischen System aus der Objektivlinse 8, dem Zylinderlinsensystem 9 und der Abtastlinse 11 fokussierten Strahles von dem Brennpunkt 6b' des in der Parallelebene zu der Ubergangszonenebene des Lasers 7 divergierenden Strahles. In diesem Falle hat sich empirisch bestätigt, daß eine zufriedenstellende

Abbildungsleistung in der Größenordnung der Beugungsgrenze erhalten werden kann, indem das photoleitfähige Aufzeichnungsmaterial an einer geeigneten Stelle zwischen den beiden Brennpunkten angeordnet wird, wenn folgende Gleichung erfüllt ist:

wobei A S¹ der Abstand zwischen den beiden Brennpunkten, DJ der Durchmesser der Strahlbegrenzungsblende 13 gemäß Figur 3 in der Parallelrichtung zu der Übergangszonenebene des Lasers,

DS der Durchmesser dieser Blende in der senkrechten Richtung zu der Übergangszonenebene, f. ₁ die Brennweite der Abtastlinse 11 und \ die Emissionswellenlänge des Lasers sind. Für die Abbildungsleistung in der Größenordnung der Beugungsgrenze ist der zulässige Abstand A S zwischen den Ausgangspositionen

bzw. Divergenzursprungspositionen des Strahles in den zueinander

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- t2--

B 9653 en
senkrechten Richtung/durch folgende Gleichung gegeben:

. ^f9^b ο ^fR ?
^r9^{a £}11

wobei fq_> fg^ und f« jeweils die Brennweiten der plankonkaven Zylinderlinse 9a und der plankonvexen Zylinderlinse 9b gemäß Figur if(a) sowie der Objektivlinse 8 gemäß Figur 9 sind. Aus den Bedingungen (1) und (2) läßt sich somit ableiten:

^f-->DS.DJ

9b

9a

8 N/ 2.44/i(DS^+DJ )

Wenn somit das Verhältnis der Brennweiten der das afokale Zylinderlinsensystem 9 bildenden beiden Linsen bei einem optischen Abtastsystem gemäß Figur 3 die Bedingung (3) erfüllt, läßt sich eine zufriedenstellende Abbildungsleistung in der Größenordnung der Beugungsgrenze erzielen, indem das photoleitfähige Aufzeichnungsmaterial in eine

geeignete Position gebracht wird.
20

Andererseits muß die von dem optischen System auf das photoleitfähige Aufzeichnungsmaterial zu übertragende Lichtmenge E¹ folgende Bedingung erfüllen:

E· ^ X₆Z₀, wherein _Tq = JL ₍₄₎

wobei ό- die auf dem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial erforderliche Minimal-Lichtmenge und E die von dem Halbleiterlaser in Richtung des photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterials abgegebene Gesamtlichtmenge sind.

Die Winkelverteilung des von dem Halbleiterlaser emittierten Lichtstromes läßt sich im wesentlichen durch eine Gauß-Verteilung annähern. Die Dispersion dieser Verteilung wird durch (T_ß bzw. C^ χ_η der senkrechten Ebene bzw. der

S09845/0S02

- - ■ - ϊ^:3-^: ':% 9653

Parallelebene zu der Ubergangszonenebene des Lasers repräsentiert, wobei davon ausgegangen wird, daß der von dem Laser emittierte Lichtstrom von dem optischen System in den jeweiligen Ebenen in einem Winkelbereich von -Θ «** θ bzw. -Θ . <*«* θ aufgenommen wird. In diesem Falle sind die Verhältnisse y*„ und jr * des in den jeweiligen Ebenen erhaltenen Lichtes durch folgende Gleichungen gegeben:

' ι - r*s -A

rs = —L-. [ e ~^7

r^OsJ-e ^S '^äd (5)

Durch die Annahme, daß gilt:

^=IWj

repräsentiert β das Verhältnis der von dem optischen System erhaltenen Lichtmenge zu der von dem Laser emittierten Gesamtlich tmenge. Unter Verwendung dieses Wertes ^r läßt sich die erforderliche Lichtmenge auf dem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial gewährleisten, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

T >^To. (8.) .

Die Gleichungen (5) und (6) sind jeweils in den Figuren 5 bzw. 6 graphisch dargestellt, wobei die Ordinate e„/e„ bzw. θτ/θτ und die Abszisse J*._ bzw. Λ* _ bezeichnen.

Auf der Basis dieser Kennlinien ist die Bestimmung von/, und /" aus den Dispersionen der Gauß-Verteilungen ^⁵ Og und v^ _{sowie aus} den Lichteinfallwinkeln θ und θ

und θ,

809ΘΑΒ/-0902-

- η- i 9653

möglich, so daß sich der Wert für A aus der Bedingung (7) bestimmen läßt. Bei dem Entwurf des optischen Systems läßt sich der Lichteinfallswinkel ©„ in der senkrecht zu der Ubergangszonenebene des Lasers verlaufenden Ebene aus der Gleichung: .i

e_g = sin'(Ds/2f₈)

für einen gegebenen Durchmesser DS der Blende 13 in der senkrechten Ebene und eine gegebene Brennweite f„ der Objektivlinee

_ 8 bestimmen, während f dann mit Hilfe der Kennlinie gemäß Figur 5 bestimmt werden kann. Sodann läßt sich der die Beziehung:

erfüllende Wert von Θ _T mit Hilfe der Kennlinie gemäß Figur 6 als Wert θ bestimmen. Damit die tatsächlich von dem optischen System erhaltene Lichtmengef größer als J* wird, sollte der Lichteinfallwinkel in der Parallelebene zu der Ubergangszonenebene des Lasers die Bedingung erfüllen:

Wenn der Durchmesser D₁. der Blende 13 in dieser nc Ebene durch folgende Gleichung gegeben ist:

DJ = 2

f₉b

sin

(ίο)

läßt sich aus den Gleichungen (9) und (10) erhalten:

/ DJ

(li;

©09845/0902

-49+

Auf der Basis der vorstehend genannten Bedingungen (3) und (11) besteht somit die Möglichkeit, eine zufriedenstellende Abbildungsleistung in der Größenordnung der Beugungsgrenze zu erhalten und gleichzeitig die für die Aufzeichnung auf dem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial erforderliche Lichtmenge zu gewährleisten, wenn das Verhältnis der Brennweiten der das Zylinderlinsensystem 9 bildenden Linsen innerhalb eines folgendermaßen definierten Bereiches gewählt wird:

DS-DJ

DJ

fa J 2.44/C(DS + DJ) ~

In dem Zylinderlinsensystem 9 ist die planare Linsenfläche der plankonkaven Zylinderlinse nicht an der Strahleintrittsseite angeordnet, wodurch ein umgekehrter Eintritt des von dieser Linsenfläche reflektierten Lichtes in den Laser verhindert wird, da ein solcher umgekehrter Lichteinfall zu einer Rückkopplungserscheinung führt, die unerwünschte Abweichungen der Emissionscharakteristik des

on Lasers zur Folge hat. .

Bei dem Abtastsystem gemäß Figur 3 lassen sich diepäirallelitätseigenschaften des aus dem derart aufgebauten Zylinderlinsensystem austretenden Strahles verbessern, wenn folgende Bedingung zwischen dem Durchmesser DJ der Blende in der Parallelrichtung zu der Ubergangszonenebene des Lasers und der Brennweite f_gb der plankonvexen zylinderlinse gemäß Figur 4(a) erfüllt ist:

DJ / ⁵ ' ⁽¹³⁾

Bei der Anordnung gemäß Figur 4(a) erzeugt die

plankonkave Zylinderlinse bei dem einfallenden Lichtstrahl eine übermäßig korrigierte sphärische Aberration während die plankonvexe Zylinderlinse eine unzureichend korrigierte sphärische Aberration erzeugt. Wenn die vorstehend wiedergegebene Bedingung (^) erfüllt ist, läßt sich hierdurch die

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sphärische Aberration bei jeder Linse verringern, wodurch eine zufriedenstellende Korrektur der sphärischen Aberration in dem gesamten Linsensystem ermöglicht wird. Wenn dagegen die Bedingung (13) nicht erfüllt ist, wird auf Grund der erhöhten sphärischen Aberration einer jeden Linse eine zufriedenstellende Korrektur der sphärischen Aberration des gesamten Linsensystems erforderlich.

Beispielsweise kann bei einem optischen System mit den Parametern:

Brennweite f„ der objektivlinse 8 : 10 mm Brennweite f., der Abtastlinse 11 : 500 mm Durchmesser DS der Blende in der senkrechten Richtung zu der Ubergangszonenebene des Lasers:10 mm

Abstand Δ S der Divergenzursprungspositionen des Laserstrahls: 0,02 mm
Laser-Emissionswellenlänge : 0,8 jum (8000 A)

das Minimum des Absolutwertes des Brennweitenverhältnisses der das Zylinderlinsensystem 9 bildenden plankonvexen und plankonkaven Zylinderlinsen mit Hilfe der Gleichung (3) als Funktion des Durchmessers DJ der Blende in der Parallelrichrung zu der Ubergangszonenebene des Lasers wiedergeben werden, wie dies durch die Kurve a in Figur 7 dargestellt ist.

Außerdem wird davon ausgegangen, daß die Winkelverteilung des von dem Halbleiterlaser emittierten Lichtes eine Dispersion von C = (15 ) bzw. C* = (40 ) in der

o_n ob

^äK) senkrechten Richtung bzw. der Parallelrichtung zu der Ubergangszonenfläche des Lasers aufweist und daß das für die Aufzeichnung auf dem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial erforderliche minimale Lichtverhältnis Jr = 0,8 ist. Da der Lichteinfallwinkel Θ«, in der senkrecht zu der Ubergangszonenebene des Lasers verlaufenden Ebene θ = sin" (DS/2f ) = 30⁰

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-17 - B 9653

■1 ist, ist das Verhältnis 0„/C^_s gleich 2, so daß sich für j-* ρ aus Figur 6 der Wert 0,955 ermitteln läßt. Damit die minimale Lichtmenge auf dem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial hierbei gewährleistet ist, sollte unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Bedingungen (7) und (8) folgende Bedingung gewährleistet sein:

> -£§ = 0.838

IQ Durch Einsetzen der derart erhaltenen Werte in

den rechten Term der Bedingung (11) läßt sich der maximale Absolutwert des Brennweitenverhältnisses der das Zylinderlinsensystem 9 bildenden Linsen als Funktion des Durchmessers D, der Blende in der Pnrallelrichtung zu der Ubergangszonenfläche des Lasers bestimmen, wodurch die Gerade b gemäß Figur 7 erhalten wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe läßt sich somit lösen, wenn der Wert dieses Brennweitenverhältnisses innerhalb des schraffierten Bereiches gemäß Figur 7 liegt.

Bei dem vorstehend beschriebenen AusfUhrungsbeispiel nimmt dieses Verhältnis den Wert 1 an, wenn D- den Wert 3 »33 mm aufweist, in welchem Falle das Zylinderlinsensystem keine Funktion mehr hat und daher entfallen kann· Allgemein ausgedruckt, kann das Zylinderlinsensystem 9 entfallen, wenn gilt:

^DJ ^ J-fk '^DS (ιό

■■ . . ■

wobei:

82"2W _ist

Auf diese Weise läßt sich eine relativ zufriedenstellende Abbildungsleistung auch ohne das Zylinderlinsensystem 9 erzielen, wenn der Durchmesser D_T der Blende in der Parallel—

- 'T8" - " B'9653

richtung zu der Ubergangszonenebene des Lasers annähernd gleich dem Wert des rechten Terms der Bedingung (lif) gewählt wird.

Für einen unter 3,33 liegenden Wert von DJ wird

dieses Verhältnis kleiner als eins, jedoch soll ein solcher Fall aus den Betrachtungen ausgeschlossen werden, da er sich mit der Anordnung gemäß Figur 4(a) nicht auf einfache Weise realisieren läßt.
10

Das vorstehend beschriebene optische Aufzeichnungssystem ermöglicht bei seiner Verwendung in Verbindung mit einem Abtastgerät die volle Ausnutzung der Vorteile eines direkt im Hochfrequenzbereich modulierbaren Halbleiterlasers. Hierdurch

'*> läßt sich z.B. im'Falle der Abtastung eines photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterials durch den von einem mit konstanter Winkelgeschwindigkeit gedrehten Polygon-Drehspiegel abgelenkten Strahl eines Halbleiterlasers eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung erzielen. Hierbei kann eine konstante Abtast-

2" geschwindigkeit auf dem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial erhalten und dadurch die erforderliche elektrische Schaltungsanordnung vereinfacht werden, indem ein einfaches ganzzahliges Verhältnis zwischen der dem Halbleiterlaser zugeführten Modulationssignalfrequenz und der Grundtaktfrequenz verwendet wird,

^Z3 wenn die Abtastlinse 11 aus einer f-0-Linse besteht, die die Beziehung y¹ = f..θ erfüllt, wobei y¹ der Abstand von der optischen Achse zu der Abtastposition, f.- die Brennweite der Linse und θ der Einfallwinkel des in die Linse eintretenden abgelenkten Strahles zu deren optischer Achse sind.

Auch wenn die Ablenkeinrichtung aus einem Galvanometerspiegel besteht, der an Stelle des vorstehend beschriebenen Polygonspiegels mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit eine sinusförmige Schwingbewegung mit der Amplitude i) ausführt,

laßt sich die gleiche Wirkung erzielen, indem die f-9-Linse

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- 19 - B 9653 durch eine Arkussinus-Linse ersetzt wird, die die Beziehung

y =

erfüllt, wobei y¹ und θ die gleiche Bedeutung, wie vorstehend c beschrieben, haben. Bei einer solchen Abtastung kann die Form des auf dem photoleitfähigen Aufzeichnungsmaterial ausgebildeten Lichtpunktes in geeigneter Weise verändert werden, indem die Durchmesser DS und DJ der Blende 13 in geeigneter Weise gewählt werden. Wenn z.B. bei einer Abtastung in y¹-Richtung

IQ mit einem Lichtpunkt 13 gemäß Figur 19 der Punktdurchmesser

§ , kleiner als der Punktdurchmesser~ § , in der senkrechten z'-Richtung gehalten wird, führt die Punktversetzung von der Position 13 zu der Position 13' gemäß Figur 20 innerhalb der Modulationszeit für ein Bildelement zu dem durch die

κ Bezugszahl I^ bezeichneten vergrößerten Punkt, wodurch die Dimensionen des aufgezeichneten Punktes eines Bildelementes in der y¹-Richtung gleich denen in der ζ'-Richtung gehalten werden können.

2Q Außerdem besteht die Möglichkeit, den Halbleiterlaser zur Erzielung einer Uberdeckung mehrerer Bildelemente in der Abtastrichtung mit einer höheren Frequenz zu modulieren, wodurch ein Bild erhalten wird, das einen höheren Kontrast in der Abtastrichtung oder der senkrecht hierzu verlaufenden Richtung aufweist.

.. Wie vorstehend beschrieben, läßt sich somit die Bildqualität durch geeignete Wahl der Blendendurchmesser in dem Abtastsystem auf verschiedenartige Weise steuern.

In einem solchen Falle kann jedoch eine zufriedenstellende Bildqualität nur dann erzielt werden, wenn das Brennweitenverhältnis J fg^/f- / der das Zylinderlinsensystem bildenden Linsen die Bedingung (12) erfüllt. Bei dem vorherigen numerischen Ausführungsbeispiel läßt sich ein zufriedenstellendes Bild in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten, indem eine Kombination des Blendendurchmessers DJ und des

-2Ό" - B 9653

' Betrages I fg^/f- | ausgewählt wird, die innerhalb des schraffierten Bereiches gemäß Figur 7 liegt.

Nachstehend wird ein konkretes Ausführungsbeispiel des optischen Systems näher beschrieben. In Figur ist die Winkel-Emissionsverteilung des im Rahmen der Erfindung verwendeten Halbleiterlasers dargestellt, wobei die Kurven S und J jeweils die Lichtintensität über der Ordinate in der senkrecht bzw. parallel zu der Ubergangszonenebene des

'0 Lasers verlaufenden Richtung als Funktion des auf der Abszisse aufgetragenen Divergenzwinkels wiedergeben. Diese Verteilung in der senkrecht bzw. parallel zu der Ubergangszonenebene des Lasers verlaufenden Richtung kann in ausreichendem Maße durch eine Gauß-Verteilung mit einer Dispersion (T" bzw.

'** O"*_T> die annähernd (15°) bzw. (k°) entsprechen, ange-

nähert werden. Der Halbleiterlaser arbeitet mit einem einzigen Wellentyp und einer Emissionswellenlänge von annähernd 0,8/im

ο *

(8000 A) und weist einen Abstand von ca. 0,02 mm zwischen den beiden Ausgangspositionen bzw. Divergenzursprungspositionen

*

* des Strahles auf.

In den Figuren 9, 10 und 11 sind jeweils Querschnittsansichten der Objektivlinse 8, des Zylinderlinsensystems 9 bzw. der Abtastlinse 11 dargestellt, deren Parameter

in der nachstehend aufgeführten Tabelle 1 angegeben sind, wobei mit Ri die Krümmung der i-ten Linsenfläche, mit di die Linsendicke entlang der optischen Achse, mit Ii der Luftspalt und mit Ni der Brechungsindex der Linse bezeichnet sind.

Die Objektivlinse gemäß Tabelle 1 ist an der

Strahlaustrittsseite mit einer Konkavlinse von negativer Brechkraft zur Bildung einer sogenannten Retrofokus-Anordnung versehen, die zur Verlängerung des Arbeitsabstandes zwischen der Lichtemissionsfläche des Lasers und der Objektivlinse

dient und insbesondere bei einer Objektivlinse mit einer

' kurzen Brennweite sehr effektiv zur Gewinnung eines relativ langen Arbeitsabstandes ist. Wenn diese Brennweite jedoch, ausreichend lang ist, kann die Konkavlinse entfallen, wie dies durch die Linsenanordnung gemäß Figur 12 veranschaulicht ist, deren Parameter in Tabelle 2 aufgeführt sind.

Weiterhin kann die Objektivlinse in der in Figur 13 dargestellten Weise aus einer einzigen asphärischen Linse bestehen, deren Parameter in Tabelle 3 aufgeführt sind, wobei die asphärische Form durch folgende Gleichung wiedergegeben werden kann:

^R2't 'ι _ 6

■ +Ay + Dy

•ν ~

wobei R_2/l = -7.833

A= 1 AkJkJ χ ίο"'¹

B = 3.52553 χ 10~^{6 sind}· 20

Ferner läßt sich das Zylinderlinsensystem gemäß Figur 10 in äquivalenter Weise auch durch eine einzige Linse gemäß Figur 14 ersetzen, deren Parameter in Tabelle 4 aufgeführt sind. In diesem Falle sind die Brennweiten f_. und

9a

^f9b J^eweils gleich den Brennweiten der Flächen 25 und 26. Im Rahmen der Erfindung kann jede beliebige Kombination der vorstehend beschriebenen verschiedenen Objektivlinsen und Zylinderlinsensysteme Verwendung finden.

Die Kombination der einzelnen asphärischen Objektivlinse gemäß Figur 13 und der einzelnen Zylinderlinse gemäß Figur 14 stellt jedoch eine vorzugsweise verwendete Ausführungsform dar, da durch eine solche Kombination ein einfacher Aufbau realisiert werden kann, der eine einfachere Justierung und niedrigere Herstellungskosten ermöglicht.

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-B--96-53

Außerdem ist eine geringere Anzahl von Linsenflächen insofern vorteilhaft, als sichhierdurch die Lichttransmission und damit die auf das photoleitfähige Aufzeichnungsmaterial übertragbare Lichtmenge steigern lassen.

Die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Blende weist einen Durchmesser von 9j3 mm für die aus Zf Linsenelementen bestehende Objektivlinse gemäß Figur auf· Eine zufriedenstellende Abbildungsleistung kann auch mit einer Blende erhalten werden, die Abmessungen von 9,3 mm bzw. 16,8 mm jeweils in der senkrecht bzw. parallel zu der Ubergangszonenebene des Lasers verlaufenden Richtung aufweist.

Im Falle der Verwendung einer Blende mit einem Durchmesser von 9j3 mm und einem für die Aufzeichnung erforderlichen minimalen Lichtmengenverhältnis A von 0,686 läßt sich der zulässige Bereich des Brennweitenverhältnisses für das Zylinderlinsensystem folgendermaßen aus der Bedingung (12) bestimmen:

2.1

<6.o

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist dieses Verhältnis für die Zylinderlinse gemäß Figur 10 sowie gemäß Tabelle 1 den V/ert:

= 4.13

auf, während das Verhältnis für die Zylinderlinse gemäß Figur 14 und gemäß Tabelle 1\\

= 3.83

beträgt.

«09145/0902

Ferner läßt sich der Bereich für eine Blende mit den jeweiligen Abmessungen 9,3 mm bzw. 16,8 mm in der senkrecht bzw. parallel zu der Ubergangszonenebene des Lasers verlaufenden Richtung auf einfache Weise aus der Bedingung (12) folgendermaßen bestimmen:

< 10.8

f„a

die auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfüllt ist.

In Figur 15 ist die Kollimationsleistung der Objektivlinse gemäß Figur 9 und gemäß Tabelle 1 veranschaulicht.

Figur 16 zeigt die Parallelitätseigenschaften des aus der Zylinderlinse gemäß Figur 10 und gemäß Tabelle 1 austretenden Laserstrahls.

,In den Figuren 17(a) und 17(b) ist die Leistung der Abtastlinse gemäß Figur 11 und Tabelle 1 veranschaulicht, wobei in Figur 17(a) die sphärische Aberration _und i_n Figur 17(b) der Astigmatismus und die Krümmung in der Bildebene dargestellt sind.

In Figur 18 ist die Leistung der Objektivlinse gemäß Figur 12 und Tabelle 2 veranschaulicht.

Bei den vorstehend genannten Figuren 15_S 16 und 18 repräsentiert die Abszisse jeweils die Wellenlängen-Aberration mit J^ = 0,8 · 10 mm, während die Ordinate die Höhe des austretenden Strahles repräsentiert. Die Ordinate gemäß Figur 17(b) repräsentiert außerdem den Winkel des in die Abtastlinse eintretenden abgelenkten Strahles zu deren optischer Achse, wobei M und S jeweils die Bildebenenkrümmung in dem meri_oc dionalen und dem sagittalen Querschnitt angeben.

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Die Leistung der Objektivlinse gemäß Figur und der Zylinderlinse gemäß Figur IZf sind nicht dargestellt, da sie annähernd derjenigen der Objektivlinse gemäß Figur bzw. der Zylinderlinse gemäß Figur 10 entspricht. Wie den Schaubildern zu entnehmen ist, weisen diese Linsen eine ausreichende Leistungsfähigkeit in der Größenordnung der Beugungsgrenze auf.

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Tab.

	No.	Ri	di	l±	Ni	f₈ = 10 N.A = O.47	= 4.13
Objek tivlin se	1 2 3 4 5 6 7 8	-73.011 -12.905 36.505 16.316 34.884 -60.154 174.442 31.684	4.46 5.37 8.42 4.21	I.94 3.75 54.40	I.79154 I.50993 I.79154 I.50993		^fll = ^ F/50 ^ω/2 = 30°
Zylin derlin se	9 10 11 12	-8.491 .00 00 -53.895	10.53 10.53	39.28	I.50993 I.7833I	V
Abtast linse	13 14 15 16	-178.800 574.084 2174.316 -165.579	12.42 I5.O7	30.13	I.50993 1.78331

Tab.

	Ri	di	1.35 1.18	Ni	f₈ -- 17.9 N.A = Ο.26
	489.200	IO.I3		I.79I54
	-I6.316 32.669 I7.208	4.44		I.5O993
	43.789	15.01	I.79154
	-154.316
No.
17
18 19 20
21
22

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Tab. 3

No.	Ri	di	Ni	f₈ = 10 N.A = 0.47
23 2k	OO -7.833 (asphärisch)	5-32	I.7833I

Tab. 4

No.	Ri	di	Ni	^f9^b	= 3.83
IA VO CVI OJ	-8.491 -32.549"	72.86	I.493OO	V

Nachstehend wird nun ein elektrophotographisches Laserstrahl-AufZeichnungsgerät beschrieben, bei dem das vorstehend beschriebene optische System Verwendung findet. Ein solches Aufzeichnungsgerät kann in ähnlicher Weise wie das Abtastsystem gemäß Figur 3 aufgebaut sein, wobei die Modulationssignale dem Halbleiterlaser 7 zur steuerung seiner Lichtemission zugeführt werden und ein elektrophotographisches photoleitfähiges Material oder eine photoleitfähige Aufzeichnungstrommel auf der Abtastfläche bzw. in der Abtastebene 12 angeordnet wird. Das elektrophotographische photoleitfähige Material besteht vorzugsweise aus CdS, da die in der Nähe des Infrarotbereiches liegende Emissionsstrahlung des Halbleiterlasers damit auf die Spektralempfindlichkeit eines solchen photoleitfähigen CdS-Materials abgestimmt ist. Im einzelnen kann das elektrophotographische photoleitfähige Material z.B. aus Zinkoxyd, amorphem Selen oder Kadmiumsulfid bestehen. Das auf der Basis von Selen aufgebaute photoleitfähige Material ist jedoch nicht auf Licht in der Nähe des Infrarotbereiches abgestimmt, da sich der hochempfindliche Spektralbereich auf der kurzwelligen Seite befindet. Mit Arsen oder Tellur dotiertes Selen weist eine in Richtung größerer Wellenlängen verschobene

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Spektralempfindlichkeit auf und kann daher im Rahmen der Erfindung Verwendung finden. Hierbei kann jedoch die Hinzufügung von As oder Te zu der unerwünschten Erscheinung führen, daß sich ein niedrigerer Dunkelwiderstand ergibt, so daß in ** Bezug auf die photoleitfähige Schicht eine geeignete Gegenmaßnahme ergriffen werden muß, die ζ·Β· in einem Zwei-Schichten-Aufbau der photoleitfähigen Schichtanordnung bestehen kann. Eine auf der Basis von Zinkoxyd hergestellte photoleitfähige Schicht kann spektral sensibilisiert und auf die Emissionsstrahlung des Halbleiterlasers abgestimmt werden, obwohl die ursprüngliche Spektralempfindlichkeit im Bereich von 0,35 OjJfiim liegt. Die absolute Empfindlichkeit einer solchen photoleitfähigen Schicht beträgt jedoch weniger als 1/10 einer auf der Basis von CdS hergestellten photoleitfähigen Schicht» Aus diesem Grund wird vorzugsweise ein photoleitfähiges Material auf der Basis von GdS verwendet, und zwar vorzugsweise in Form einer aus drei Schichten bestehenden Anordnung aus einem leitenden Substrat, einer photoleitfähigen

CdS-Schicht und einer isolierenden Deckschicht. 20

Zusammengefaßt weist das vorstehend beschriebene optische Aufzeichnungssystem somit als Lichtquelle einen im · wesentlichen mit einem einzigen Wellentyp arbeitenden Halbleiterlaser, eine Objektivlinse, deren Brennpunkt in einer

senkrechten Ebene zu der Ubergangszonenebene des Halblelterlasers im wesentlichen bei der Ausgangsposition bzw. Divergenzursprungsposition des von dem Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahls liegt, eine afokale Zylinderlinse, die aus einem Linsenelement besteht, das nur in einer parallel zu der

Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden Ebene

eine Brechkraft aufweist, eine Abbildungslinse, eine den in die Abbildungelinse eintretenden Laserstrahl begrenzende Blende und ein in der Nähe des Brennpunktes der Abbildungslinse angeordnetes photoleitfähiges Aufzeichnungsmaterial auf. 35

Claims

T.EDTKE - BOHLING - K.NNE

GROPE - PlLLMANN ''fs

Dipl.-lng. B. Pellmann Bavariaring 4, Postfach 202403 29 1 7 I 63 8000 München 2

Tel.:089-539653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

27.April 1979 B 9653

Patentansprüche

Optisches Aufzeichnungssystem mit einer von einem Halbleiterlaser gebildeten Lichtquelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Abbildungssystem (8, 9» 10, 11, 13) zur Fokussierung·des von dem Halbleiterlaser (7) abgegebenen Lichtstrahls in einer Position in der Nähe einer Aufzeichnungsebene (12) unterschiedliche Brennweiten in Bezug auf die parallel und senkrecht zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden Ebenen (J,S) aufweist, daß der Abstand zwischen dem Bildpunkt (6b¹) des in der parallel zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden Ebene (J) divergierenden Lichtstrahles und dem Bildpunkt (6a^r) des in der senkrecht zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden Ebene (S) divergierenden Lichtstrahls innerhalb der Beugungsgrenze liegt, und daß die Aufzeichnungsebene (12) zwischen den beiden Bildpunkten (6a¹, 6b¹) angeordnet ist.

2. Optisches Aufzeichnungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem ein optisches Objektivsystem (8), dessen Brennpunkt annähernd mit der Strahlausgangsposition (6a) des Halbleiterlasers (7) in der senkrecht zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden Ebene (S) zusammenfällt, ein anamorphotisches optisches System (9) mit einer nur in der parallel zu der Ubergangszonenebene des Halbleiterlasers verlaufenden

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Deutsche Bank (München) Wo. 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

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Ebene (J) wirkenden Brechkraft und ein zwischen dem optischen Objektivsystem (8) und der Aufzeichnungsebene (12) angeordnetes optisches Abtast-Abbildungssystem (11) aufweist.

3· Optisches Aufzeichnungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem eine Blende (13) zur Begrenzung des Lichtstrahls aufweist.

k» Optisches Aufzeichnungssystem nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das anamorphotische optische System (9) ein afokales zylindrisches optisches System ist.

5· Optisches Aufzeichnungssystem nach Anspruch if, dadurch gekennzeichnet, daß das afokale zylindrische optische System (9) zumindest zwei oder höchstens vier lichtbrechende Linsenflächen aufweist, wobei die dem Halbleiterlaser nächstliegend angeordnete lichtbrechende Linsenfläche eine negative und die von dem Halbleiterlaser entfernteste lichtbrechende Linsenfläche eine positive Brechkraft aufweisen.

6. Optisches Aufzeichnungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablenkeinrichtung (10) zwischen dem optischen Objektivsystem (8) und dem optischen Abtast-Abbildungssystem (11) angeordnet ist.

7. Optisches Aufzeichnungssystem nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Objektivsystem (8) ein aus drei Linsen bestehendes sphärisches Linsensystem ist, das zumindest eine Linse mit negativer Brechkraft aufweist.

8. Optisches Aufzeichnungssystem nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Objektiv-

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system (8) ein aus vier Linsen bestehendes sphärisches Linsensystem ist, das zumindest zwei Linsen mit negativer Brechkraft aufweist, wobei eine Linse mit negativer Brechkraft nächstliegend zu der Aufzeichnungsebene (12) angeordnet ist.

9. Optisches Aufzeichnungssystem nach Anspruch oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Objektivsystem (8) aus einer einzigen asphärischen Linse besteht.

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