JPS6211324B2

JPS6211324B2 -

Info

Publication number: JPS6211324B2
Application number: JP58068823A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Ito
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1983-04-19
Filing date: 1983-04-19
Publication date: 1987-03-12
Also published as: JPS59195211A

Description

[Detailed description of the invention]

本発明はテレセントリツクな特性を持つ４枚構
成のｆ−θレンズ系に関する。ｆ−θレンズ系はレーザープリンター等で多用
されている。それは、レンズの焦点距離をｆ、レ
ンズへのビームの入射角をθ、レンズの像面上で
のスポツト結像位置の光軸からの高さをｙとした
とき、ｙ〓ｆ・θなる関係を満たすレンズ系であ
つて、これによつて、像面上の位置とビームを反
射する回転多面鏡の回転角とがリニアーな関係に
保たれ、更に、多面鏡の回転角速度一定のとき、
ｆ−θレンズの像面上のスポツト移動速度も一定
となる。こうして、ｆ−θレンズの実現により、
回転多面鏡との結合でレーザープリンターの実現
を可能としているが、これは公知である。一方、テレセントリツクな光学系は、軸外の主
光線が像面にほぼ垂直に射出するもので、ピント
位置に対して焦点ズレがある場合、寸法精度を比
較的正確に保つ利点がある。従つて寸法精度が要
求されるものに多用されており、この事は公知で
ある。本発明は、前述のｆ−θレンズ系に、テレセン
トリツクな性質を持たせたもので、特に高精度な
位置精度が要求されるレーザープロツター、例え
ば写真製版の原パターンやプリント基板用の原パ
ターン作成等に使用されるプロツター、に有効な
レンズ系を提供するものである。この意味での、
特に高精度なレーザー描画装置を以後、便宜上レ
ーザープロツターと称する。前述したようにレーザープリンター等で多用さ
れているｆ−θレンズ系を、その特性を利用し
て、より高精度なプロツターに適用する場合、レ
ーザスポツトの位置決め精度を高精度に保つ為に
は、次の配慮を要する。 (イ) スポツト位置は、ｆ−θレンズのｆ−θ特性
に頼ることは精度上、最早不可能なので、何ら
かのモニター方式を採用せざるを得ない。その
結果、逆にｆ−θ特性そのものに対する要求度
合いはゆるいものになるが、像面上のレーザー
スポツトの走査スピードを許容範囲内で一様に
保つ程度のｆ−θ特性は必要である。 (ロ) 像面に置かれた感光材料の表面に或る程度の
凹凸があつても、スポツト位置精度を高精度に
保つために、レンズからの射出光は像面に垂直
に近い角度で射出するように、即ちテレセント
リツクにする必要がある。しかるに、本発明は、ｆ−θレンズ系におい
て、これらの要求、特に上記(ロ)も満足するｆ−θ
レンズ系の開発に成功したものである。上記(ロ)について更に説明すると、通常、レーザ
ーの平行ビームを結像するｆ−θレンズ系は、Ｆ
ナンバーＦ_Nの大きな、即ち暗いレンズであり、
その結果、所謂焦点深度Δは深いのが通例であ
る。波長をλとしたときに、深度は±Δ＝±1.27
λＦ_N ^２で与えられるとすると、Ｆ_N＝100、λ＝
0.488nｍのとき、±Δ＝±6.2mmとなり、例えば感
材表面に±100μｍの凹凸があつても、ピンボケ
の心配は全くない。しかし、スポツトの位置精度となると、射出光
束の像面垂線とのなす角θ′をθ′＝20゜とし、感
材面の凹凸を±100μｍと仮定すると、位置決め
誤差は±36μｍとなり、問題となる量である。よ
つて、射出光束を像面垂線とほぼ平行に、即ちテ
レセントリツクにすれば上記誤差は小さく出来
る。ちなみに、θ′＝３゜のとき、同一条件で±
５μｍとなり、約７分の１に減少する。尚、テレセントリツク性はなくても、レーザー
走査系の応用は不可能ではないが、上述の様に、
感材表面の平面性を高度に保つておかないと、実
用上問題の発生する危険性が高く、その装置の目
指す精度の実現は実際のところ達成が難かしくな
る。本発明は上記目的を達するレンズ系を、４枚構
成とし、そのうちの１枚のレンズを像面の近傍に
配置することにより実現したものである。即ち、
本発明は、第１レンズは入射瞳側に凹面を向けた
負メニスカスレンズ、第２レンズは像側に凸面を
向けた正メニスカスレンズ、第３レンズは正レン
ズ、第４レンズは第３レンズから大きな距離を隔
てて像面に近い位置に配置されており像側に平面
を向けた平凸の正レンズからなり、入射瞳を第１
レンズの第１面の前方0.1fから0.2fの間に置くレ
ンズ系において、 (1) n₁＜1.65 (2) n₂＞1.75 (3) 0.8f＜d₆＜1.4f (4) 1.5f＜f₄＜2.5f 但しｆ：全系の焦点距離ｎ_i：第ｉレンズのｄ−lineの屈折率 d₆：第３レンズと第４レンズとの空気間隔 f₄：第４レンズの焦点距離なる条件を満たす、単色の平行レーザービームを
結像するためのテレセントリツクな４枚構成のｆ
−θレンズ系である。このように構成された本発明は、第１から第３
レンズまでの３枚構成による主レンズ系と、コン
デンサーレンズとして作用する第４レンズとの結
合、というタイプを採用しているので、主レンズ
系で球面収差、コマ収差、アスチグマのほとんど
全ての補正をなし、第４レンズはその目的のほと
んどがテレセントリツク性の実現にある。次に条件(1)から(4)について説明する。条件(1)と(2)はレンズ系のペツツバールの和を小
さくおさえるための条件である。これによつて、
像面の平坦化が実現される。(1)ないし(2)の条件を
外れると、ペツツバールの和が増大し、像面の平
坦化が困難となる。条件(3)と(4)は相俟つてテレセントリツク性の実
現を可能とするもので、この条件を満たすことに
より、レンズからの射出光は像面にほぼ垂直に射
出する。条件(3)ないし(4)の範囲を外れると、テレ
セントリツク性の実現が困難となる。尚、第４レンズは上述のごとくテレセントリツ
ク性を実現するための重要なレンズであるが、像
面近傍に配置するため、像面が大きいときは必然
的に第４レンズも大きくなる。しかし、レーザー
プロツターの場合、第４レンズは中心を含む放射
線上の１軸方向のみ使用されるので、丸い形状の
必要はなく、細長い形状として加工することによ
つて、材料、加工及び組み立て上の難点を解決す
ることができる。特に第４レンズは、その性質
上、加工精度も組み立て精度も共に、第３レンズ
までのものより相当程度ゆるいので、この細長い
レンズとすることは実際上極めて有効である。ま
たレンズ鏡枠も、第１から第３レンズまでの３枚
を、同一鏡枠に組み込み、第４レンズはそれと別
にレーザープロツターの装置組みの段階で組み込
む事で充分である。以上説明したように本発明によれば、テレセン
トリツクなｆ−θレンズの実現は、ｆ−θレンズ
と回転多面鏡を用いたレーザー走査系の応用範囲
を、従来のプリンターの領域より高度な位置決め
精度の要求されるレーザープロツターの領域に拡
張できる。またテレセントリツクなｆ−θレンズ
を用いたレーザープロツターの使用対象は、写真
製版の原パターン、プリント基板の原パターン、
その他の精密パターンの描画が考えられ、従来の
描画装置に比べて、特に高速な描画が、描画精度
の犠牲なしに可能となる。以下、本発明の実施例を記載する。ここでｆは
全系の焦点距離、Ｆ_NはＦナンバー、λは波長、
ｒ_iは第ｉ面の曲率半径、ｄ_iは第ｉ番目のレンズ
厚又はレンズ間隔、ｎ_iは第ｉレンズのｄ−lineの
屈折率、ｖ_iは第ｉレンズのアツベ数、d₀は入射
瞳E.P.と第１面との間隔、f₄は第４レンズの焦点
距離である。 The present invention relates to a four-element f-theta lens system having telecentric characteristics. The f-theta lens system is widely used in laser printers and the like. If the focal length of the lens is f, the angle of incidence of the beam on the lens is θ, and the height of the spot imaging position on the image plane of the lens from the optical axis is y, then the relationship is y〓f・θ. This is a lens system that maintains a linear relationship between the position on the image plane and the rotation angle of the rotating polygon mirror that reflects the beam, and furthermore, when the rotation angular velocity of the polygon mirror is constant,
The spot moving speed on the image plane of the f-theta lens also becomes constant. In this way, by realizing the f-θ lens,
Combination with a rotating polygon mirror makes it possible to realize a laser printer, which is well known. On the other hand, in a telecentric optical system, the off-axis chief ray is emitted almost perpendicularly to the image plane, and has the advantage of maintaining relatively accurate dimensional accuracy when there is a focal shift with respect to the focal position. Therefore, it is widely used in items that require dimensional accuracy, and this fact is well known. The present invention imparts telecentric properties to the above-mentioned f-theta lens system, and is particularly useful for laser plotters that require high positional accuracy, such as original patterns for photolithography and original patterns for printed circuit boards. This provides an effective lens system for plotters used for pattern creation, etc. In this sense,
A particularly high-precision laser drawing device will be hereinafter referred to as a laser plotter for convenience. As mentioned above, when applying the f-theta lens system, which is often used in laser printers etc., to a higher precision plotter by utilizing its characteristics, in order to maintain high precision positioning of the laser spot, it is necessary to The following consideration is required. (a) For the spot position, it is no longer possible to rely on the f-theta characteristics of the f-theta lens in terms of accuracy, so some kind of monitoring method must be adopted. As a result, the degree of requirement for the f-theta characteristic itself becomes loose, but it is necessary to have an f-theta characteristic that maintains the scanning speed of the laser spot on the image plane uniformly within an allowable range. (b) Even if the surface of the photosensitive material placed on the image plane has some degree of unevenness, the light emitted from the lens is emitted at an angle close to perpendicular to the image plane in order to maintain high spot position accuracy. In other words, it is necessary to make it telecentric. However, the present invention provides an f-θ lens system that satisfies these requirements, especially the above (b).
This was a successful development of a lens system. To further explain the above (b), an f-theta lens system that images a parallel beam of a laser usually has an F
It is a large or dark lens with a number F _N ,
As a result, the so-called depth of focus Δ is typically large. When the wavelength is λ, the depth is ±Δ=±1.27
Given by λF _N ² , F _N =100, λ=
When the wavelength is 0.488 nm, ±Δ=±6.2 mm, so even if the surface of the photosensitive material has unevenness of ±100 μm, there is no need to worry about out-of-focus. However, when it comes to positional accuracy of the spot, assuming that the angle θ' between the emitted light beam and the normal to the image plane is θ' = 20°, and the unevenness of the photosensitive material surface is ±100 μm, the positioning error is ±36 μm, which is a problem. This is the amount. Therefore, the above error can be reduced by making the emitted light beam substantially parallel to the perpendicular to the image plane, that is, by making it telecentric. By the way, when θ′=3°, ±
It becomes 5 μm, which is a decrease of about 1/7. Although it is not impossible to apply a laser scanning system even without telecentricity, as mentioned above,
If the flatness of the surface of the photosensitive material is not maintained at a high level, there is a high risk of practical problems occurring, and it will actually be difficult to achieve the accuracy desired by the device. The present invention achieves the above object by constructing a lens system consisting of four lenses, and arranging one of the lenses near the image plane. That is,
In the present invention, the first lens is a negative meniscus lens with a concave surface facing the entrance pupil side, the second lens is a positive meniscus lens with a convex surface facing the image side, the third lens is a positive lens, and the fourth lens is a negative meniscus lens with a convex surface facing the image side. It consists of a plano-convex positive lens placed close to the image plane across a large distance, with the plane facing the image side, and the entrance pupil is the first lens.
In a lens system placed between 0.1f and 0.2f in front of the first surface of the lens, (1) n ₁ < 1.65 (2) n ₂ > 1.75 (3) 0.8f < d ₆ < 1.4f (4) 1.5f <f ₄ <2.5f However, f: Focal length of the entire system n _i : D-line refractive index of the i-th lens d ₆ : Air distance between the third lens and the fourth lens f ₄ : Focal length of the fourth lens A telecentric four-element f for imaging a monochromatic parallel laser beam that satisfies the following conditions:
-θ lens system. The present invention configured in this way has the first to third
The main lens system consists of a three-element main lens system combined with a fourth lens that acts as a condenser lens, so the main lens system can correct almost all of spherical aberration, coma aberration, and astigma. None, the purpose of the fourth lens is mostly to realize telecentricity. Next, conditions (1) to (4) will be explained. Conditions (1) and (2) are conditions for keeping the Petzval sum of the lens system small. By this,
Flattening of the image plane is achieved. If conditions (1) or (2) are not met, the Petzval sum increases and it becomes difficult to flatten the image plane. Conditions (3) and (4) together make it possible to realize telecentricity, and by satisfying these conditions, the light emitted from the lens is emitted almost perpendicular to the image plane. Outside the range of conditions (3) and (4), it becomes difficult to realize telecentricity. Note that the fourth lens is an important lens for realizing telecentricity as described above, but since it is arranged near the image plane, when the image plane is large, the fourth lens also inevitably becomes large. However, in the case of a laser plotter, the fourth lens is used only in one axial direction on the radiation including the center, so there is no need for it to have a round shape, and by machining it as an elongated shape, it can be can solve the problems of In particular, since the fourth lens, by its nature, has a considerably looser processing precision and assembly precision than those up to the third lenses, it is actually extremely effective to form this elongated lens. Further, as for the lens frame, it is sufficient to incorporate the three lenses from the first to the third lenses into the same frame, and to incorporate the fourth lens separately at the stage of assembling the laser plotter device. As explained above, according to the present invention, the realization of a telecentric f-theta lens extends the application range of a laser scanning system using an f-theta lens and a rotating polygon mirror to a positioning system that is more advanced than that of conventional printers. It can be expanded to the area of laser plotters that require precision. Laser plotters using telecentric f-theta lenses can be used for photoengraving original patterns, printed circuit board original patterns,
It is possible to draw other precise patterns, and compared to conventional drawing devices, it is possible to draw at a particularly high speed without sacrificing drawing accuracy. Examples of the present invention will be described below. Here, f is the focal length of the entire system, F _N is the F number, λ is the wavelength,
r _i is the radius of curvature of the i-th surface, d _i is the i-th lens thickness or lens spacing, n _i is the d-line refractive index of the i-th lens, v _i is the Abbe number of the i-th lens, and d ₀ is The distance between the entrance pupil EP and the first surface, f ₄ is the focal length of the fourth lens.

【表】【table】

【table】 [Brief explanation of the drawing]

第１図は本発明の実施例１のレンズ系断面図、
第２図は実施例１の収差図、第３図は本発明の実
施例２のレンズ系断面図、第４図は実施例２の収
差図である。尚、第２図、第４図中、Ｓはサジタル像面、Ｍ
はメリデイオナル像面、ｙは像高を表わす。 FIG. 1 is a cross-sectional view of the lens system of Example 1 of the present invention.
2 is an aberration diagram of Example 1, FIG. 3 is a sectional view of a lens system of Example 2 of the present invention, and FIG. 4 is an aberration diagram of Example 2. In addition, in FIGS. 2 and 4, S is the sagittal image plane, and M
represents the meridional image surface, and y represents the image height.

Claims

[Claims] 1. The first lens is a negative meniscus lens with a concave surface facing the entrance pupil side, the second lens is a positive meniscus lens with a convex surface facing the image side, the third lens is a positive lens, and the fourth lens is a negative meniscus lens with a convex surface facing the image side. It consists of a plano-convex positive lens with the plane facing the image side, which is placed close to the image plane at a large distance from the third lens, and the entrance pupil is 0.1f to 0.2f in front of the first surface of the first lens. In the lens system placed between (1) n ₁ <1.65 (2) n ₂ >1.75 (3) 0.8f<d ₆ <1.4f (4) 1.5f<f ₄ <2.5f where f: Focal length n _i : D-line refractive index of the i-th lens d ₆ : Air distance between the third lens and fourth lens f ₄ : Focuses a monochromatic parallel laser beam that satisfies the following conditions: focal length of the fourth lens. Telecentric 4-element f for imaging
-θ lens system.