Высокоразрешающая оптическая система одномерного квазилинейного сканирования лазерным пучком

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при проектировании оптических сканирующих систем, например, оптических систем лазерных принтеров. Оптическая система содержит последовательно установленные вдоль оптической оси Z лазер, фокусирующий элемент, многогранный зеркальный барабан, установленный с возможностью вращения, и астигматический синглет с асферическими поверхностями. Уравнение поверхностей сиглета имеет определенный вид. Обеспечено уменьшение стоимости за счет сокращения времени проектирования и расширения допусков при изготовлении путем снижения волнистости поверхностей синглета и снижения брака. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при проектировании оптических сканирующих, например, систем лазерных принтеров.

Известна оптическая система лазерного принтера (US 5274503), содержащая последовательно установленные вдоль оптической оси простые и сложные линзы.

Недостатком данной системы является высокая стоимость из-за наличия большего числа линз, а также низкое разрешение.

Известна оптическая система лазерного принтера (прототип), содержащая последовательно установленные вдоль оптической оси Z лазер, фокусирующий элемент, многогранный зеркальный барабан, установленный с возможностью вращения, и астигматический синглет с асферическими поверхностями (патент США №6330524).

Недостатком известной оптической системы является низкое качество из-за большого размера сфокусированного пятна, большое значение волнистости поверхности синглета, что приводит к сужению размера допусков при изготовлении, а также высокая стоимость, т.к. на расчет поверхностей астигматического синглета требуются значительные временные затраты из-за избыточно усложненного уравнения асферических поверхностей f-Θ объектива (синглета), для которых используются 3 набора полиномиальных коэффициентов (An, Bm, Gj), а также двух основных асферизирующих параметров (коники Кх и Ку), значения которых могут меняться от +∞ до -∞.

Избыточно широкий набор коррекционных параметров существенно усложняет отыскание оптимального решения, т.к. предполагает крайне большие затрата на расчет f-Θ объектива (синглета) даже при использовании мощных САПР оптических систем (типа CODE v). При этом необходимо учитывать, что получаемые решения отличаются существенной волнистостью поверхностей f-Θ объектива, что вызывает большой брак при их изготовлении.

Для устранения указанных недостатков в изобретении предлагается использовать новый вид уравнения, описывающий асферические поверхности f-Θ объектива (синглета), в котором отсутствует набор коэффициентов Gj, а значение обоих коников (Кх и Ку) ограничены диапазоном 1<Кх, у<∞, что соответствует гиперболическому профилю синглета в меридиональном и сагиттальном сечениях. В результате перехода на новый вид уравнения асферических поверхностей существенно сокращается время проектирования астигматического синглета (при одновременном уменьшении времени расчета его поверхностей) обеспечивается более глубокий глобальный минимум размера сфокусированного пятна.

Таким образом, технический результат изобретения заключается в создании оптической системы лазерного принтера с высоким разрешением 600 dpi, уменьшение стоимости за счет сокращения времени проектирования и расширения допусков при изготовлении синглета путем снижения волнистости поверхностей синглета и снижения брака при литье синглета.

Указанный технический результат достигается тем, что в оптической системе лазерного принтера, содержащей последовательно установленные вдоль оптической оси Z лазер, фокусирующий элемент, многогранный зеркальный барабан, установленный с возможностью вращения, и астигматический синглет с асферическими поверхностями, уравнение поверхностей сиглета имеет вид

где Ry, Rx - радиусы кривизны поверхности в осевой точке соответственно в сечениях ZX и ZY;

Rx(0) - радиус кривизны поверхности в плоскости ZY при у=0;

A_2n - коэффициенты полинома асферизации меридионального профиля асферической поверхности в ZY сечении,

B_m - коэффициенты полиномиального изменения радиуса кривизны в ZX сечении при удалении рассматриваемой точки поверхности от оптической оси Z;

Ку - асферизирующие коэффициенты (коники) по оси х и у соответственно,

Фокусирующий элемент может быть выполнен в виде цилиндрической линзы.

Между лазером и фокусирующим элементом может быть расположен коллимирующий объектив.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема оптической схемы лазерного принтера.

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 между лазером 1 и фокусирующим элементом 2 может быть установлен коллимирующий объектив (не показан) 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 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 барабана 3 лазерный пучок поступает на астигматический синглет 4, который обеспечивает фокусировку лазерного пучка в малоразмерное пятно и осуществляет преобразование сканирования пучка по углу Θ в квазилинейное одномерное движение указанного пятна вдоль меридиональной прямой на светочувствительной поверхности барабана 7.

Формула изобретения

1. Оптическая система сканирования лазерным пучком, содержащая последовательно установленные вдоль оптической оси Z лазер, фокусирующий элемент, многогранный зеркальный барабан, установленный с возможностью вращения, и астигматический синглет с асферическими поверхностями, отличающаяся тем, что уравнение поверхностей синглета имеет вид

Z(x,y)=Ry[1-1+(1+Ку)у²/Ry²]/(1+Ку)+

∑А_2nУ²ⁿ+Rx(0)[1-1+(1+Кх,)х²/Rx(y)²](1+∑В_my^m)/(1+Кх),

где Ry, Rx - радиусы кривизны поверхности в осевой точке соответственно в сечениях ZX и ZY;

Rx(y)=Rx(0)(1+∑В_my^m);

A_2n - коэффициенты полинома асферизации меридионального профиля асферической поверхности в ZY сечении;

В_m - коэффициенты полиномиального изменения радиуса кривизны в ZX сечении при удалении рассматриваемой точки поверхности от оптической оси Z;

Кх, Ку - коэффициенты коники по оси х и у соответственно.

2. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что фокусирующий элемент выполнен в виде цилиндрической линзы.

3. Оптическая система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что между лазером и фокусирующим элементом расположен коллимирующий объектив.

РИСУНКИ

Рисунок 1