DE3634648A1 - Superweitwinkel-linsensystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Superweitwinkel- Linsensystem, insbesondere ein Superweitwinkel-f-R- Linsensystem mit einem auf ±45° erweiterten Abtastwinkel (Bildwinkel).

Mit der Zunahme der Büroautomationssysteme sind immer kompaktere Laserstrahldrucker zu immer niedrigeren Preisen gefragt. Um ein Büroautomationssystem kompakter machen zu können, ist es notwendig, daß das darin verwendete Linsensystem einen sehr großen Abtastwinkel aufweist.

Die bisher auf dem Markt befindlichen Standard-f-R-Linsensysteme haben jedoch nur Abtastwinkel von nicht mehr als ±25°. Auch bei Weitwinkel-f-R-Linsensystemen ist der Abtastwinkel nicht größer als ±30°. Es gibt mit anderen Worten keine bekannten f-R-Linsensysteme, die einen Abtastwinkel von mehr als ±30° haben und gleichzeitig eine Abbildungsfähigkeit nahe der Beugungsbegrenzung für ein Laserstrahlbündel auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Trommel in dem Zustand haben, in dem die Abtastlinearität (f-R-Charakteristik) in einem Maße gesichert ist, daß sie für praktische Zwecke ausreicht (±0,7% oder weniger).

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Superweitwinkel-f-R-Linsensystem mit einem auf ±45° erweiterten Abtastwinkel (Bildwinkel) zu schaffen, das darüberhinaus eine Abbildungsfähigkeit für Laserstrahlbündel auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Trommel nahe der Beugungsbegrenzung aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Superweitwinkel-f-R-Linsensystem, in der Reihenfolge von der Seite der Lichtstrahlablenkvorrichtung her, ein erstes Linsenelement mit positiver Brechkraft, ein zweites Linsenelement mit negativer Brechkraft und ein drittes Linsenelement mit positiver Brechkraft auf, wobei das Superweitwinkel-f-R-Linsensystem so eingerichtet ist, daß es die folgenden Bedingungen erfüllt:

Dabei bezeichnet das Symbol L die Gesamtlänge des Linsensystems als Ganzes, das Symbol F ₀ die Brennweite des Gesamt-Linsensystems, das Symbol R ₂ den Krümmungsradius der Oberfläche des ersten Linsenelementes an der Seite der Lichtstrahlablenkvorrichtung, das Symbol n den Brechungsindex des dritten Linsenelementes bei einer Wellenlänge von 780 nm, und das Symbol F ₁₂ die Gesamtbrennweite der das erste und zweite Linsenelement umfassenden Gruppe.

Wird L kleiner gemacht als die untere Grenze (0,19 F ₀) der Bedingung (1), so wird der Abstand zwischen der Lichtstrahlablenkvorrichtung und dem Linsensystem zu klein. Dann stört bei einem Superweitwinkel-f-R-Linsensystem wie dem erfindungsgemäßen Linsensystem der Umfangsabschnitt des ersten Linsenelementes, dessen Durchmesser vom Abtastwinkel für das Triggersignal bestimmt ist, den Laserstrahl, der in die Lichtstrahlablenkvorrichtung eintritt. Dementsprechend ist ein solches Linsensystem nicht für den praktischen Einsatz geeignet. Darüberhinaus wird die Brechkraft der negativen Linse des Linsensystems übermäßig groß. Daraus resultiert ein Ansteigen des asymmetrischen, inneren Komafehlers für Strahlen bei gewissen Abtastwinkeln (außeraxiale Strahlen), und das Abbild des Laserstrahlbündels verschlechtert sich in einem Ausmaß, das einen vernachlässigbaren Grad übersteigt.

Wird andererseits L größer gemacht als die obere Grenze (0,23 F ₀) der Bedingung (1), so wird die Gesamtlänge des Linsensystems zu groß. Daraus resultiert eine übermäßig große Brechkraft der positiven Linsen des Linsensystems, und der asymmetrische äußere Komafehler für Strahlen bei gewissen Abtastwinkeln (außeraxiale Strahlen) steigt an.

Wird entgegen der Bedingung (2) R ₂/F ₀ ≦λτ -0,35, so wird hauptsächlich die Abtastlinearität ungünstig beeinflußt.

Wird n kleiner gemacht als die untere Grenze (1,60) der Bedingung (3), so wird die Bildfeldwölbung und das asymmetrische Koma ungünstig, und es ist unmöglich, eine für die Praxis ausreichende Punktgröße über die gesamte Abtastbreite zu erhalten.

Die Bedingung (4) ist hauptsächlich zur Beseitigung von Astigmatismus und Bildfeldwölbung bei mittleren Ablenkwinkeln aufgestellt. Wird F ₁₂ ≦ωτ -5,0 F ₀, so wird besonders der Astigmatismus überkorrigiert und, wenn die meridionale Bildfläche mit der Oberfläche der lichtempfindlichen Trommel zusammenfällt, die Bildfeldwölbung beträchtlich unterkorrigiert.

Das erfindungsgemäße Linsensystem wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das erfindungsgemäße Superweitwinkel-f-R-Linsensystem im Schnitt;

Fig. 2 Diagramme mit Aberrationskurven des Ausführungsbeispiels 1 des erfindungsgemäßen Linsensystems;

Fig. 3 Diagramme mit Aberrationskurven des Ausführungsbeispiels 2;

Fig. 4 Diagramme mit Aberrationskurven des Ausführungsbeispiels 3;

Fig. 5 Diagramme mit Aberrationskurven des Ausführungsbeispiels 4,

Fig. 6 Diagramme mit Aberrationskurven des Ausführungsbeispiels 5.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Superweitwinkel-f-R-Linsensystems dargestellt.

Jedes der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Superweitwinkel-f-R-Linsensystems weist die in der Fig. 1 gezeigte Linsenkonfiguration auf und ist so aufgebaut, daß das erste Linsenelement als eine positive Meniskuslinse, das zweite Linsenelement als eine negative Meniskuslinse (Konvexkonkavlinse) und das dritte Linsenelement als eine plankonvexe Linse ausgebildet ist. Die numerischen Daten der entsprechenden Ausführungsbeispiele sind wie folgt:

Ausführungsbeispiel 1:

F ₀ = 137.93
F/N = 1 : 34.5
W = ±44.7° L = 29.0 = 0.210 F ₀, R ₂/F ₀ = -0.2128
N ₃ = 1.6280, F ₁₂ = -846.12 = -6.134 F ₀

Ausführungsbeispiel 2:

F ₀ = 137.90
F/N = 1 : 34.48
W = ±44.7° L = 27.52 = 0.1996 F ₀, R ₂/F ₀ = -0.2284
N ₃ = 1.7381, F ₁₂ = -1536.5 = -11.14 F ₀

Ausführungsbeispiel 3:

F ₀ = 138.1
F/N = 1 : 34.5
W = ±44.7° L = 26.30 = 0.1905 F ₀, R ₂/F ₀ = -0.2694
N ₃ = 1.7381, F ₁₂ = -1633.97 = -11.832 F ₀

Ausführungsbeispiel 4:

F ₀ = 139.4
F/N = 1 : 34.9
W = ±44.2° L = 30.5 = 0.2187 F ₀, R ₂/F ₀ = -0.2687
N ₃ = 1.7381, F ₁₂ = -1283.46 = -9.207 F ₀

Ausführungsbeispiel 5:

F ₀ = 137.9
F/N = 1 : 34.5
W = ±44.7° L = 27.52 = 0.1996 F ₀, R ₂/F ₀ = -0.2460
N ₃ = 1.7381, F ₁₂ = -1900.53 = -13.782 F ₀

Jedes der obigen Ausführungsbeispiele ist so aufgebaut, daß sich die Aperturblende (Eintrittspupille) an der ersten Oberfläche R ₁ befindet. In den gezeigten numerischen Daten bezeichnet das Symbol F ₀ die Brennweite des Linsensystems als Ganzes, das Symbol F/N das Öffnungsverhältnis, das Symbol W den Abtastwinkel, das Symbol R ₁ die reflektierende Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung, die Symbole R ₂ bis R ₇ die Krümmungsradien der jeweiligen Linsenflächen, das Symbol TH ₁ den Abstand zwischen der reflektierenden Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung und dem Linsensystem, wenn der Abtastwinkel Null ist, die Symbole TH ₂ bis TH ₆ die Abstände zwischen den jeweiligen Linsenflächen, und die Symbole N ₁, N ₂ bzw. N ₃ den Brechungsindex der jeweiligen Linsen. Die numerischen Daten zeigen die Werte für eine Wellenlänge von 780 nm.

Das erfindungsgemäße Superweitwinkel-f-R-Linsensystem weist einen extrem großen Abtastwinkel (±45°) auf und hat eine Abbildungsfähigkeit für Laserstrahlbündel, die nahe an der Beugungsbegrenzung liegt, obwohl das Linsensystem kompakt aus nur drei Linsen aufgebaut ist.

Claims (6)

1. Superweitwinkel-Linsensystem mit, in der Reihenfolge von der Seite der Lichtstrahlablenkungsvorrichtung ausgehend, einem ersten Linsenelement mit positiver Brechkraft, mit einem zweiten Linsenelement mit negativer Brechkraft, und mit einem dritten Linsenelement mit positiver Brechkraft, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem die Bedingungen erfüllt, wobei L die Gesamtlänge des Linsensystems als Ganzes, F ₀ die Brennweite des Linsensystems als Ganzes, R ₂ den Krümmungsradius der Oberfläche des ersten Linsenelementes an der Seite der Lichtstrahlablenkvorrichtung, n den Brechungsindex des dritten Linsenelementes für die Wellenlänge 780 nm, und F ₁₂ die Gesamtbrennweite des ersten und zweiten Linsenelementes bezeichnet.

2. Linsensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden numerischen Daten, F ₀ = 137.93
F/N = 1 : 34.5
W = ±44.7° L = 29.0 = 0.210 F ₀, R ₂/F ₀ = - 0.2128
N ₃ = 1.6280, F ₁₂ = - 846.12 = -6.134 F ₀wobei F ₀ die Brennweite des Linsensystems als Ganzes, F/N das Öffnungsverhältnis, W den Abtastwinkel, R ₁ die reflektierende Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung, R ₂ bis R ₇ die Krümmungsradien der jeweiligen Linsenflächen, TH ₁ den Abstand zwischen der reflektierenden Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung und dem Linsensystem bei einem Abtastwinkel von Null, TH ₂ bis TH ₆ die Abstände zwischen den jeweiligen Linsenflächen, und N ₁, N ₂ und N ₃ den Brechungsindex der jeweiligen Linsen für die Wellenlänge 780 nm bezeichnen.

3. Linsensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden numerischen Daten, F ₀ = 137.90
F/N = 1 : 34.48
W = ±44.7° L = 27.52 = 0.1996 F ₀, R ₂/F ₀ = -0.2284
N ₃ = 1.7381, F ₁₂ = -1536.5 = -11.14 F ₀wobei F ₀ die Brennweite des Linsensystems als Ganzes, F/N das Öffnungsverhältnis, W den Abtastwinkel, R ₁ die reflektierende Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung, R ₂ bis R ₇ die Krümmungsradien der jeweiligen Linsenflächen, TH ₁ den Abstand zwischen der reflektierenden Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung und dem Linsensystem bei einem Abtastwinkel von Null, TH ₂ bis TH ₆ die Abstände zwischen den jeweiligen Linsenflächen, und N ₁, N ₂ und N ₃ den Brechungsindex der jeweiligen Linsen für die Wellenlänge 780 nm bezeichnen.

4. Linsensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden numerischen Daten, F ₀ = 138.1
F/N = 1 : 34.5
W = ±44.7° L = 26.30 = 0.1905 F ₀, R ₂/F ₀ = -0.2694
N ₃ = 1.7381, F ₁₂ = -1633.97 = -11.832 F ₀wobei F ₀ die Brennweite des Linsensystems als Ganzes, F/N das Öffnungsverhältnis, W den Abtastwinkel, R ₁ die reflektierende Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung, R ₂ bis R ₇ die Krümmungsradien der jeweiligen Linsenflächen, TH ₁ den Abstand zwischen der reflektierenden Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung und dem Linsensystem bei einem Abtastwinkel von Null, TH ₂ bis TH ₆ die Abstände zwischen den jeweiligen Linsenflächen, und N ₁, N ₂ und N ₃ den Brechungsindex der jeweiligen Linsen für die Wellenlänge 780 nm bezeichnen.

5. Linsensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden numerischen Daten, F ₀ = 139.4
F/N = 1 : 34.9
W = ±44.2° L = 30.5 = 0.2187 F ₀, R ₂/F ₀ = - 0.2687
N ₃ = 1.7381, F ₁₂ = - 1283,46 = -9.207 F ₀wobei F ₀ die Brennweite des Linsensystems als Ganzes, F/N das Öffnungsverhältnis, W den Abtastwinkel, R ₁ die reflektierende Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung, R ₂ bis R ₇ die Krümmungsradien der jeweiligen Linsenflächen, TH ₁ den Abstand zwischen der reflektierenden Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung und dem Linsensystem bei einem Abtastwinkel von Null, TH ₂ bis TH ₆ die Abstände zwischen den jeweiligen Linsenflächen, und N ₁, N ₂ und N ₃ den Brechungsindex der jeweiligen Linsen für die Wellenlänge 780 nm bezeichnen.

6. Linsensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden numerischen Daten, F ₀ = 137.9
F/N = 1 : 34.5
W = ±44.7° L = 27.52 = 0.1996 F ₀, R ₂/F ₀ = -0.2460
N ₃ = 1.7381, F ₁₂ = -1900.53 = -13.782 F ₀wobei F ₀ die Brennweite des Linsensystems als Ganzes, F/N das Öffnungsverhältnis, W den Abtastwinkel, R ₁ die reflektierende Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung, R ₂ bis R ₇ die Krümmungsradien der jeweiligen Linsenflächen, TH ₁ den Abstand zwischen der reflektierenden Fläche der Lichtstrahlablenkvorrichtung und dem Linsensystem bei einem Abtastwinkel von Null, TH ₂ bis TH ₆ die Abstände zwischen den jeweiligen Linsenflächen, und N ₁, N ₂ und N ₃ den Brechungsindex der jeweiligen Linsen für die Wellenlänge 780 nm bezeichnen.