專利名稱：用于激光束的防彎曲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光束掃描裝置，特別是一種用于激光束的防彎曲裝置。
此發(fā)明，對(duì)激光全像直線掃描彎曲和搖幌的現(xiàn)象提供相當(dāng)程度的改進(jìn)。經(jīng)由光學(xué)儀器旋轉(zhuǎn)，繞射所產(chǎn)生的激光全像直線掃描，可以藉此發(fā)明相當(dāng)程度地減少光束的彎曲和搖幌。
將旋轉(zhuǎn)的平面線性繞射光柵，應(yīng)用于光學(xué)掃描工業(yè)，如激光印表機(jī)等，已日趨重要。眾所周知一種掃描全像旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)在美國(guó)注冊(cè)專利號(hào)為3，953，105光源連貫射入平面經(jīng)由光學(xué)儀器繞一軸旋轉(zhuǎn)，最后再聚焦成一光點(diǎn)的發(fā)明設(shè)計(jì)。
在早期它被認(rèn)定有非連續(xù)旋轉(zhuǎn)繞射掃描的不利因素，因?yàn)樗鼰o(wú)法產(chǎn)生真正的直線掃描。海林(heiling)先生在美國(guó)專利號(hào)碼為4，094，576專利中，應(yīng)用平面光波和球面光波及圓柱形鏡片制造的新型波等高強(qiáng)度曲面光學(xué)儀器來(lái)校正這個(gè)問(wèn)題。高斯碼(Goshima)先生在美國(guó)專利4，121，883的掃描設(shè)計(jì)中，在旋轉(zhuǎn)器和聚焦點(diǎn)間，應(yīng)用了多重光學(xué)儀器校正解決這個(gè)問(wèn)題。
凱(Kay)先生在專利4，428，643中應(yīng)用繞射光柵在光學(xué)系統(tǒng)中和全像旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以補(bǔ)償激光波長(zhǎng)的變化，這繞射光柵和旋轉(zhuǎn)掃描相同。這個(gè)專利訂出以應(yīng)用旋轉(zhuǎn)鏡片和復(fù)雜的全像光學(xué)儀器作為光柵，形成幾何全像掃描，該專利確定了直線掃描設(shè)計(jì)中產(chǎn)生彎曲、旋轉(zhuǎn)、搖幌和楔形旋轉(zhuǎn)。同時(shí)該專利也對(duì)連續(xù)光源波長(zhǎng)變化的補(bǔ)償，提出了光柵條紋周期入射和折射角度的關(guān)系的討論。
參考Kay先生的專利設(shè)計(jì)變成了卡拉摩(Kramer)先生的專利4，289，371，在這個(gè)專利中，應(yīng)用了一束激光光束非垂直地進(jìn)入一旋轉(zhuǎn)平面上的繞射全像折射條紋并定出再制作光線對(duì)于條紋周期介于1和1.618之間。這個(gè)旋轉(zhuǎn)器，相對(duì)于一軸旋轉(zhuǎn)，并利用另一光學(xué)儀器聚焦在影像的平面上。
Kramer先生在專利中提到產(chǎn)生直線掃描幾乎完全沒(méi)有彎曲和不規(guī)則所產(chǎn)生的搖幌，他以數(shù)字式算出最小的彎曲掃描，在

圖10中理論值達(dá)0.0016英寸，此數(shù)值已經(jīng)超過(guò)高解析度掃描系統(tǒng)中應(yīng)有的規(guī)定，在圖11的實(shí)驗(yàn)中，它的彎曲率達(dá)0.003到0.004英寸。
以上所提出的專利，并沒(méi)有解決全像掃描系統(tǒng)所產(chǎn)生的彎曲。Kramer先生，另一專利4，583，816中認(rèn)為在掃描中仍有彎曲存在。并提出了改進(jìn)系統(tǒng)，在新的系統(tǒng)中建議這種彎曲可由偏斜鏡片及全像折射產(chǎn)生掃描點(diǎn)。在此幾何布局中，光學(xué)儀器中心軸并沒(méi)有與折射光束同軸，而是存在一定的偏斜角。只要是變形在聚焦鏡片之內(nèi)。此偏斜角度可以用相反方向的彎曲來(lái)平衡全像折射所產(chǎn)生的彎曲。
在Kramer專利中理論或?qū)崉?wù)并沒(méi)有很清晰的明確，曲線是否平滑也沒(méi)有實(shí)際數(shù)值的討論。在圖5中，不同角度的傾斜鏡片，產(chǎn)生了不同程度的彎曲。它第一條理想的傾斜角度似乎是-8.5度，第二、三條彎曲較大，似乎是-8.0度和-9.0度，在此一觀念下，系統(tǒng)必須傾斜鏡片和聚焦片，而成了光點(diǎn)的變形，在所有應(yīng)用中，它并不是所必要的，同時(shí)在校正此問(wèn)題時(shí)，須很高的成本。
Kramer在專利中，沒(méi)有指出是整體或外圍變形，在它的系統(tǒng)中也沒(méi)有其他非連貫限定，以防止變形，該系統(tǒng)要求精密地調(diào)整鏡片，相對(duì)于掃描軸的傾斜角度。在圖解中指出有些傾斜變化角度對(duì)于曲率的影響較小。在Kramer另一專利4，289，371中以相同入射角及折射角之關(guān)系而不須傾斜鏡片。但在傾斜鏡片系統(tǒng)，可應(yīng)用不同的λr/d(光波時(shí))條紋間距和不同入射角，提供了全像掃描較自由的設(shè)計(jì)空間和比0.0016英寸理論值還好的數(shù)據(jù)。
在最后改良的設(shè)計(jì)中，Kramer在他的專利4，973，112中提出了應(yīng)用輔助光柵和棱鏡來(lái)校正全像掃描所產(chǎn)生的彎曲。其他問(wèn)題也在此一新發(fā)明中，同時(shí)解決，在Kramer的4，973，112專利發(fā)明中解決了許多問(wèn)題，可由輔助平面光柵條紋在全像掃描系統(tǒng)中減少?gòu)澢?，在此輔助光柵條紋平行于全像掃描光柵條紋，Kramer建議說(shuō)，掃描線彎曲乃是全像掃描中因光柵線和掃描光束幾何位置在掃描時(shí)產(chǎn)生變化而造成，輔助光柵使掃描線彎曲，Kramer又說(shuō)，因?yàn)槿肷涔馐淖冞m當(dāng)角度相對(duì)光柵平面，他建議輔助光柵條紋須對(duì)全像旋轉(zhuǎn)平面傾斜適當(dāng)角度，即可明顯地達(dá)到校正彎曲的效果。
在另外專利4，973，112的圖2中，輔助平面光柵與棱鏡混合使用，而棱鏡乃加大了因全像掃描所造成的彎曲，因此輔助光柵平衡了全像掃描和棱鏡加大，造成彎曲的因素，此棱鏡的功用，并沒(méi)能減少?gòu)澢?，而是為了消除或減少光束呈橢圓狀的問(wèn)題，很不幸的是，它并未顯示可減少多少?gòu)澢?，事?shí)上，并沒(méi)有期望它去改良由理論計(jì)算所造成的彎曲和一些非依據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)值。
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)激光全像直線掃描彎曲和搖幌現(xiàn)象的方法及裝置，使經(jīng)由光學(xué)儀器旋轉(zhuǎn)繞射所產(chǎn)生的激光直線掃描中的彎曲和搖幌得到相當(dāng)程度地減少。
本發(fā)明在特殊的系統(tǒng)應(yīng)用中，激光光束應(yīng)用于內(nèi)軸掃描，目前不論激光印表機(jī)或影印中，并沒(méi)有一個(gè)像本發(fā)明一樣，所有零件同時(shí)旋轉(zhuǎn)的例子，本發(fā)明的點(diǎn)影印中是一個(gè)完美無(wú)缺的圓。此發(fā)明對(duì)搖幌或?qū)-Z平面中的掃描提供了最有效的改良設(shè)計(jì)。
本發(fā)明提供很簡(jiǎn)明的全像掃描設(shè)計(jì)，并應(yīng)用光波長(zhǎng)和全像條紋間距的關(guān)系解決上述問(wèn)題。
本發(fā)明在激光光束全像折射系統(tǒng)中，光波旋轉(zhuǎn)角度為θR，該產(chǎn)生掃描線的裝置由在其至少一個(gè)平面上帶有光柵條紋的棱鏡組成，棱鏡放置于全像激光折射掃描之后，棱鏡頂角θα及光柵條紋間距D，此組合設(shè)計(jì)產(chǎn)生掃描彎曲，只有未用棱鏡的1/600，同時(shí)也可以消除搖幌。在頂角θα可以在1°到30°，其中2°到6°較適合，光柵間距在0.0001和0.001毫米之間，此設(shè)計(jì)對(duì)激光印表機(jī)是相當(dāng)有用的，并可以澄清系統(tǒng)的錯(cuò)誤。
本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明把因全像掃描而產(chǎn)生的彎曲，減到最低。本發(fā)明把因全像掃描而產(chǎn)生的搖幌，減到最小。本發(fā)明另一成效是減少?gòu)澢O(shè)計(jì)，并未依賴光學(xué)鏡片(lens)來(lái)消除因相對(duì)掃描光束傾斜角度，以校正彎曲所造成的變形。
為了更了解此發(fā)明設(shè)計(jì)，提供下列附圖圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)圖，說(shuō)明了此全像掃描系統(tǒng)產(chǎn)生的直線。
圖2比圖1更詳細(xì)的說(shuō)明了全像系統(tǒng)操作零件和發(fā)明設(shè)計(jì)的相互關(guān)系。
圖3概要圖，類似圖1，但它顯示在直軸內(nèi)部旋轉(zhuǎn)造成一完全圓周的形態(tài)。
圖4顯示全部系統(tǒng)中彎曲線和掃描角度的關(guān)系。
圖5說(shuō)明了目前已發(fā)明沒(méi)有輔助設(shè)計(jì)所造成彎曲線和掃描角度的關(guān)系。
結(jié)合較佳實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下如附圖所示，此發(fā)明設(shè)計(jì)組合了光學(xué)儀器和全像系統(tǒng)，產(chǎn)生品質(zhì)較好的掃描直線，特別是圖1，本發(fā)明的裝置應(yīng)用于全像系統(tǒng)中，激光光束經(jīng)由一旋轉(zhuǎn)折射光柵形成直線掃描，在掃描直線中消除了彎曲和搖幌。
在圖1中，繞射光柵11繞著軸13而以箭頭15方向旋轉(zhuǎn)，激光光束17經(jīng)由繞射光柵11而產(chǎn)生折射光束19，在以前的系統(tǒng)中，光束19垂直聚焦在平面上，此處，折射光束19經(jīng)由棱鏡21和位于棱鏡一表面上的光柵條紋23，產(chǎn)生掃描線25，掃描線25聚焦在影像平面27上，它顯示了比未校正光束19的彎曲明顯減少的特點(diǎn)。
圖2是對(duì)圖1的放大圖，而更加詳細(xì)的說(shuō)明，分離的平行激光束17，進(jìn)入繞射光柵11產(chǎn)生折射光束19，它繞軸13旋轉(zhuǎn)，折射光束19的波陣面再經(jīng)棱鏡21入射面上的光柵23，該光柵也可以置于光束射出棱鏡21的表面上。
棱鏡21是一個(gè)楔形棱鏡，它在兩掃描線貫穿的平面之間的頂角為θα，此頂角θα產(chǎn)生具有小于不設(shè)棱鏡時(shí)光束彎曲度1/600的掃描線，有效地消除了光束的搖幌。頂角范圍可由1°到30°，而此系統(tǒng)最合適的角度則為2°到6°，光柵條紋間距可從0.0001到0.001毫米。光柵23具有間距D它使掃描光束產(chǎn)生相應(yīng)于同樣角度θα的偏轉(zhuǎn)，因此達(dá)到本發(fā)明的目的。由光柵23和棱鏡21產(chǎn)生的折射，光柵間距和棱鏡頂角θμ的功能是相同的。
掃描線25，經(jīng)由棱鏡21射出，再由聚焦鏡29和31產(chǎn)生沒(méi)有彎曲的掃描線33成像在影像平面上。本發(fā)明在激光印刷機(jī)和其他高精密度的影像系統(tǒng)中對(duì)消除彎曲特別有用，因?yàn)樗鼫p少了相當(dāng)?shù)膾呙韫馐膹澢F(xiàn)象，它在幾何布局中，第一次使用全像系統(tǒng)得到唯一確定的形狀和尺寸，此發(fā)明若應(yīng)用于內(nèi)部旋轉(zhuǎn)柱和掃描為了更有效地說(shuō)明此發(fā)明設(shè)計(jì)，如圖1和圖2所示，棱鏡21選用SchottBK7玻璃棱鏡，其頂角θα為4.40°精確地排組棱鏡21，從旋轉(zhuǎn)光柵11的中央，激光光束19以3.85°的角度進(jìn)入棱鏡21的第一個(gè)平面，在圖2中，此實(shí)驗(yàn)光柵23位于光束射入棱鏡21的平面上，此輔助光柵23的間距是0.0009783毫米。
此全像掃描系統(tǒng)在上述發(fā)明中，光波長(zhǎng)是632.8nm的折射光束，經(jīng)由多重平面光柵，在夾層平面玻璃中和輔助棱鏡，波長(zhǎng)光束以30.5°進(jìn)入旋轉(zhuǎn)全像掃描器，以29.5°離開，光柵界于兩個(gè)平行玻璃(BK7)夾層中，玻璃的厚度是3.5毫米，外圍是120.65毫米，條紋形狀是直線的，直線間距是0.0006328毫米，光柵由五片相同部分組成，應(yīng)用每個(gè)旋轉(zhuǎn)部份的百分之五十周期掃描，激光光束距離旋轉(zhuǎn)軸中心44.45毫米。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示，圖4中掃描彎曲與掃描角度的關(guān)系，彎曲度是±0.048×10-3弧度，此相當(dāng)于18英寸掃描寬度在703毫米聚焦長(zhǎng)度產(chǎn)生僅34微米。在圖5中顯示彎曲線和掃描角度在棱鏡21，光柵23產(chǎn)生的折射線19在這一類系統(tǒng)中未應(yīng)用此發(fā)明系統(tǒng)時(shí)，彎曲率是30×10-3弧度。
在此發(fā)明中，彎曲度從0.03弧度變成0.000048弧度，改進(jìn)倍數(shù)達(dá)625倍，在18英寸的掃描線中彎曲只有±34微米，比卡拉摩(Kramer)專利4，289，371有明顯進(jìn)步，由上述比較中，我們知道Kramer的圖10的理論值是0.016英寸，在專利4，289，371的圖11的實(shí)質(zhì)結(jié)果則介于0.003英寸到0.004英寸，本發(fā)明在高清晰度的掃描中，更能被接受，因?yàn)樵诓煌到y(tǒng)，非直接的比較，它很清楚的顯示，本發(fā)明比以前所有的系統(tǒng)有更好的結(jié)果。
另一結(jié)果是本發(fā)明的消除彎曲裝置是由兩種元件形成的。由單一光柵補(bǔ)償時(shí)彎曲由0.03弧度減到0.0044弧度，改進(jìn)倍數(shù)又是6.8倍和Kramer專利4，973，112的結(jié)果相當(dāng)，它并不能和0.000048弧度比較，在本發(fā)明設(shè)計(jì)625倍比6.8倍改進(jìn)程度大得多了。
在圖3中，顯示本發(fā)明對(duì)搖幌的影響，圖中顯示，旋轉(zhuǎn)軸13是整個(gè)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的中心軸X，旋轉(zhuǎn)光柵11和棱鏡21的功能和圖1是相同的，它們同時(shí)繞軸13旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生掃描線25于影像平面27上產(chǎn)生一圓圈，它延伸在Y-Z平面37繞任一軸13旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生搖幌，在影像平面27中圓圈是不存在的。
從圖3的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，得到了意想不到的效果，因?yàn)檩S向影像在影像平面的移動(dòng)達(dá)±0.000061毫米，搖幌僅為±0.05度(180秒弧度)，光束經(jīng)由光柵和棱鏡在聚焦長(zhǎng)度為703毫米(mm)時(shí)，相應(yīng)光束角度的變化為±0.18秒弧度。
實(shí)驗(yàn)提供了超出想像的改良效果，在圖3系統(tǒng)中如果單獨(dú)用繞射光柵和棱鏡變化的光束角度只有19.5秒弧度，比上述結(jié)果±0.18秒弧度，改進(jìn)了1000倍，若只有光柵11，搖幌為17.3秒弧度，幾乎沒(méi)有改進(jìn)，若只有棱鏡，搖幌角度為±26秒弧度，所以只有棱鏡，會(huì)使搖幌更壞，而兩種儀器組在一起，改進(jìn)達(dá)1000倍，因此若單獨(dú)用光柵或棱鏡，幾乎沒(méi)有改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種在全像掃描系統(tǒng)中供波長(zhǎng)為λ旋轉(zhuǎn)角度為θR的激光產(chǎn)生掃描線的裝置，其特征在于，其包括一激光光束，一頂角為θα的棱鏡及設(shè)于棱鏡一表面上的一光柵條紋，棱鏡設(shè)于激光束全像折射之后。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述頂角θα范圍為1°到30°之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光柵位于光束進(jìn)入棱鏡的表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光柵條紋位于光束折射出棱鏡的表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)是繞著軸旋轉(zhuǎn)。
6.一種在全像掃描系統(tǒng)中供波長(zhǎng)為λ旋轉(zhuǎn)角度為θR的激光產(chǎn)生掃描線的裝置，其特征在于，其包括激光掃描后經(jīng)其一表面上帶有光柵條紋的棱鏡，該棱鏡頂角θα在1°到30°中間，光柵條紋間距D范圍在0.0001與0.001毫米之間，此掃描線由于棱鏡頂角θα及光柵條紋產(chǎn)生的偏移為未應(yīng)用棱鏡系統(tǒng)掃描線的彎曲消減到1/600。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述頂角θα范圍為2°到6°之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述光柵條紋在棱鏡入射面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述光柵在棱鏡的折射面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)所包含的旋轉(zhuǎn)掃描器和棱鏡組合成一整體繞著一軸旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全像掃描系統(tǒng)中產(chǎn)生掃描線的裝置，該裝置由至少一個(gè)表面上帶有光柵條紋的棱鏡組成，棱鏡放置于全像光束折射之后，該棱鏡與掃描線相交的二表面間的頂角為θα，所選取的頂角θα，使由其引起的掃描線偏移量與由光柵條紋引起的偏移量相等；本裝置產(chǎn)生的掃描線的彎曲比不采用本裝置的掃描線彎曲減少到1/600；有效地消除掃描線搖晃現(xiàn)象。棱鏡頂角θα取1°到30°，最好取2°到6°，光柵條紋間距約取0.0001到0.001毫米。
文檔編號(hào)G02B5/04GK1078808SQ93105538
公開日1993年11月24日 申請(qǐng)日期1993年5月14日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月14日
發(fā)明者湯姆·約克坦·強(qiáng)恩 申請(qǐng)人:赫羅工業(yè)技術(shù)公司