用于激光束的防彎曲裝置的制作方法

專利名稱：用于激光束的防彎曲裝置的制作方法
技術領域：
本發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。
此發明，對激光全像直線掃描彎曲和搖幌的現象提供相當程度的改進。經由光學儀器旋轉，繞射所產生的激光全像直線掃描，可以藉此發明相當程度地減少光束的彎曲和搖幌。
將旋轉的平面線性繞射光柵，應用于光學掃描工業，如激光印表機等，已日趨重要。眾所周知一種掃描全像旋轉設計在美國注冊專利號為3，953，105光源連貫射入平面經由光學儀器繞一軸旋轉，最后再聚焦成一光點的發明設計。
在早期它被認定有非連續旋轉繞射掃描的不利因素，因為它無法產生真正的直線掃描。海林(heiling)先生在美國專利號碼為4，094，576專利中，應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度曲面光學儀器來校正這個問題。高斯碼(Goshima)先生在美國專利4，121，883的掃描設計中，在旋轉器和聚焦點間，應用了多重光學儀器校正解決這個問題。
凱(Kay)先生在專利4，428，643中應用繞射光柵在光學系統中和全像旋轉系統以補償激光波長的變化，這繞射光柵和旋轉掃描相同。這個專利訂出以應用旋轉鏡片和復雜的全像光學儀器作為光柵，形成幾何全像掃描，該專利確定了直線掃描設計中產生彎曲、旋轉、搖幌和楔形旋轉。同時該專利也對連續光源波長變化的補償，提出了光柵條紋周期入射和折射角度的關系的討論。
參考Kay先生的專利設計變成了卡拉摩(Kramer)先生的專利4，289，371，在這個專利中，應用了一束激光光束非垂直地進入一旋轉平面上的繞射全像折射條紋并定出再制作光線對于條紋周期介于1和1.618之間。這個旋轉器，相對于一軸旋轉，并利用另一光學儀器聚焦在影像的平面上。
Kramer先生在專利中提到產生直線掃描幾乎完全沒有彎曲和不規則所產生的搖幌，他以數字式算出最小的彎曲掃描，在

圖10中理論值達0.0016英寸，此數值已經超過高解析度掃描系統中應有的規定，在圖11的實驗中，它的彎曲率達0.003到0.004英寸。
以上所提出的專利，并沒有解決全像掃描系統所產生的彎曲。Kramer先生，另一專利4，583，816中認為在掃描中仍有彎曲存在。并提出了改進系統，在新的系統中建議這種彎曲可由偏斜鏡片及全像折射產生掃描點。在此幾何布局中，光學儀器中心軸并沒有與折射光束同軸，而是存在一定的偏斜角。只要是變形在聚焦鏡片之內。此偏斜角度可以用相反方向的彎曲來平衡全像折射所產生的彎曲。
在Kramer專利中理論或實務并沒有很清晰的明確，曲線是否平滑也沒有實際數值的討論。在圖5中，不同角度的傾斜鏡片，產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，系統必須傾斜鏡片和聚焦片，而成了光點的變形，在所有應用中，它并不是所必要的，同時在校正此問題時，須很高的成本。
Kramer在專利中，沒有指出是整體或外圍變形，在它的系統中也沒有其他非連貫限定，以防止變形，該系統要求精密地調整鏡片，相對于掃描軸的傾斜角度。在圖解中指出有些傾斜變化角度對于曲率的影響較小。在Kramer另一專利4，289，371中以相同入射角及折射角之關系而不須傾斜鏡片。但在傾斜鏡片系統，可應用不同的λr/d(光波時)條紋間距和不同入射角，提供了全像掃描較自由的設計空間和比0.0016英寸理論值還好的數據。
在最后改良的設計中，Kramer在他的專利4，973，112中提出了應用輔助光柵和棱鏡來校正全像掃描所產生的彎曲。其他問題也在此一新發明中，同時解決，在Kramer的4，973，112專利發明中解決了許多問題，可由輔助平面光柵條紋在全像掃描系統中減少彎曲，在此輔助光柵條紋平行于全像掃描光柵條紋，Kramer建議說，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產生變化而造成，輔助光柵使掃描線彎曲，Kramer又說，因為入射光束改變適當角度相對光柵平面，他建議輔助光柵條紋須對全像旋轉平面傾斜適當角度，即可明顯地達到校正彎曲的效果。
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，并沒能減少彎曲，而是為了消除或減少光束呈橢圓狀的問題，很不幸的是，它并未顯示可減少多少彎曲，事實上，并沒有期望它去改良由理論計算所造成的彎曲和一些非依據實驗的數值。
本發明的目的在于提供一種改進激光全像直線掃描彎曲和搖幌現象的方法及裝置，使經由光學儀器旋轉繞射所產生的激光直線掃描中的彎曲和搖幌得到相當程度地減少。
本發明在特殊的系統應用中，激光光束應用于內軸掃描，目前不論激光印表機或影印中，并沒有一個像本發明一樣，所有零件同時旋轉的例子，本發明的點影印中是一個完美無缺的圓。此發明對搖幌或對Y-Z平面中的掃描提供了最有效的改良設計。
本發明提供很簡明的全像掃描設計，并應用光波長和全像條紋間距的關系解決上述問題。
本發明在激光光束全像折射系統中，光波旋轉角度為θR，該產生掃描線的裝置由在其至少一個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，此組合設計產生掃描彎曲，只有未用棱鏡的1/600，同時也可以消除搖幌。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，此設計對激光印表機是相當有用的，并可以澄清系統的錯誤。
本發明的有益效果在于，本發明把因全像掃描而產生的彎曲，減到最低。本發明把因全像掃描而產生的搖幌，減到最小。本發明另一成效是減少彎曲設計，并未依賴光學鏡片(lens)來消除因相對掃描光束傾斜角度，以校正彎曲所造成的變形。
為了更了解此發明設計，提供下列附圖圖1為本發明的系統圖，說明了此全像掃描系統產生的直線。
圖2比圖1更詳細的說明了全像系統操作零件和發明設計的相互關系。
圖3概要圖，類似圖1，但它顯示在直軸內部旋轉造成一完全圓周的形態。
圖4顯示全部系統中彎曲線和掃描角度的關系。
圖5說明了目前已發明沒有輔助設計所造成彎曲線和掃描角度的關系。
結合較佳實施例詳細說明如下如附圖所示，此發明設計組合了光學儀器和全像系統，產生品質較好的掃描直線，特別是圖1，本發明的裝置應用于全像系統中，激光光束經由一旋轉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，激光光束17經由繞射光柵11而產生折射光束19，在以前的系統中，光束19垂直聚焦在平面上，此處，折射光束19經由棱鏡21和位于棱鏡一表面上的光柵條紋23，產生掃描線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。
圖2是對圖1的放大圖，而更加詳細的說明，分離的平行激光束17，進入繞射光柵11產生折射光束19，它繞軸13旋轉，折射光束19的波陣面再經棱鏡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產生具有小于不設棱鏡時光束彎曲度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它使掃描光束產生相應于同樣角度θα的偏轉，因此達到本發明的目的。由光柵23和棱鏡21產生的折射，光柵間距和棱鏡頂角θμ的功能是相同的。
掃描線25，經由棱鏡21射出，再由聚焦鏡29和31產生沒有彎曲的掃描線33成像在影像平面上。本發明在激光印刷機和其他高精密度的影像系統中對消除彎曲特別有用，因為它減少了相當的掃描光束的彎曲現象，它在幾何布局中，第一次使用全像系統得到唯一確定的形狀和尺寸，此發明若應用于內部旋轉柱和掃描為了更有效地說明此發明設計，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，從旋轉光柵11的中央，激光光束19以3.85°的角度進入棱鏡21的第一個平面，在圖2中，此實驗光柵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。
此全像掃描系統在上述發明中，光波長是632.8nm的折射光束，經由多重平面光柵，在夾層平面玻璃中和輔助棱鏡，波長光束以30.5°進入旋轉全像掃描器，以29.5°離開，光柵界于兩個平行玻璃(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，應用每個旋轉部份的百分之五十周期掃描，激光光束距離旋轉軸中心44.45毫米。
實驗結果如圖4、5所示，圖4中掃描彎曲與掃描角度的關系，彎曲度是±0.048×10-3弧度，此相當于18英寸掃描寬度在703毫米聚焦長度產生僅34微米。在圖5中顯示彎曲線和掃描角度在棱鏡21，光柵23產生的折射線19在這一類系統中未應用此發明系統時，彎曲率是30×10-3弧度。
在此發明中，彎曲度從0.03弧度變成0.000048弧度，改進倍數達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的實質結果則介于0.003英寸到0.004英寸，本發明在高清晰度的掃描中，更能被接受，因為在不同系統，非直接的比較，它很清楚的顯示，本發明比以前所有的系統有更好的結果。
另一結果是本發明的消除彎曲裝置是由兩種元件形成的。由單一光柵補償時彎曲由0.03弧度減到0.0044弧度，改進倍數又是6.8倍和Kramer專利4，973，112的結果相當，它并不能和0.000048弧度比較，在本發明設計625倍比6.8倍改進程度大得多了。
在圖3中，顯示本發明對搖幌的影響，圖中顯示，旋轉軸13是整個系統旋轉的中心軸X，旋轉光柵11和棱鏡21的功能和圖1是相同的，它們同時繞軸13旋轉產生掃描線25于影像平面27上產生一圓圈，它延伸在Y-Z平面37繞任一軸13旋轉，產生搖幌，在影像平面27中圓圈是不存在的。
從圖3的系統設計中，得到了意想不到的效果，因為軸向影像在影像平面的移動達±0.000061毫米，搖幌僅為±0.05度(180秒弧度)，光束經由光柵和棱鏡在聚焦長度為703毫米(mm)時，相應光束角度的變化為±0.18秒弧度。
實驗提供了超出想像的改良效果，在圖3系統中如果單獨用繞射光柵和棱鏡變化的光束角度只有19.5秒弧度，比上述結果±0.18秒弧度，改進了1000倍，若只有光柵11，搖幌為17.3秒弧度，幾乎沒有改進，若只有棱鏡，搖幌角度為±26秒弧度，所以只有棱鏡，會使搖幌更壞，而兩種儀器組在一起，改進達1000倍，因此若單獨用光柵或棱鏡，幾乎沒有改進。
權利要求
1.一種在全像掃描系統中供波長為λ旋轉角度為θR的激光產生掃描線的裝置，其特征在于，其包括一激光光束，一頂角為θα的棱鏡及設于棱鏡一表面上的一光柵條紋，棱鏡設于激光束全像折射之后。
2.根據權利要求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.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光柵位于光束進入棱鏡的表面上。
4.根據權利要求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.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述系統是繞著軸旋轉。
6.一種在全像掃描系統中供波長為λ旋轉角度為θR的激光產生掃描線的裝置，其特征在于，其包括激光掃描后經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及光柵條紋產生的偏移為未應用棱鏡系統掃描線的彎曲消減到1/600。
7.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述光柵在棱鏡的折射面上。
10.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述系統所包含的旋轉掃描器和棱鏡組合成一整體繞著一軸旋轉。
全文摘要
本發明涉及一種全像掃描系統中產生掃描線的裝置，該裝置由至少一個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G02B5/04GK1078808SQ93105538
公開日1993年11月24日 申請日期1993年5月14日 優先權日1992年5月14日
發明者湯姆·約克坦·強恩 申請人:赫羅工業技術公司