扫描光学器件以及使用该器件的成像设备的制作方法

专利名称：扫描光学器件以及使用该器件的成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扫描光学器件，更具体地说涉及这样一种扫描光学器件，其中通过偏光元件使从光源装置中发出的光束偏转，利用被偏转的光束并且通过具有fθ特性的成像元件来对所要扫描的表面进行光学扫描，由此在其上记录有成像信息。本发明的扫描光学器件尤其可以适和用在成像设备例如采用电照相技术的激光束打印机、数字复印机或者多功能打印机中。
背景技术：
一般来说，例如在用于激光束打印机(LBP)的扫描光学器件中，根据成像信号对从光源装置中发出的光束进行调制。例如利用可以包括一种多角镜的光偏转器使经过调制的光束周期性偏转。然后通过一种具有fθ特性的成像光学系统将所述被偏转的光在具有感光性的记录媒介表面上会聚成光斑，从而光学地扫描该媒介，由此实现图像记录。


图18为传统扫描光学器件的示意图。在图8中，从光源装置1中发出的发散光束通过准直透镜2转变成基本上平行的光。在受到光阑3限制之后，该光束进入柱面透镜4。关于进入柱面透镜4的平行光束，相对于主扫描平面，该光实际上被原样直接发射出，而相对于副扫描平面，该光会聚。因此，光在光偏转器(多角镜)5的反射表面上大致成像为一种线状图像(liner image)。由光偏转器5的反射表面所反射偏转的光束穿过具有fθ特性的扫描光学元件(fθ透镜)被引导到所要扫描的表面8上。通过使光偏转器5沿着箭头方向转动，从而用光来扫描该表面8。
在这种扫描光学器件中，对于成像信息的高精度记录而言，需要满足以下要求1)场曲率在所要扫描的整个表面上应该得到良好的校正。
2)在速度一致条件下的失真特性(fθ特性)应该保持在扫描角度θ和图像高度Y之间。
3)在图像平面上的光斑直径相对于不同图像高度而言应该一致。
曾经提出许多方案以提供一种满足这些光学特性的扫描光学器件或为此提供一种校正光学系统(扫描光学元件)。
另一方面，在扫描光学器件方面存在类似的要求以减小激光束打印机或数字复印机的尺寸和成本。作为满足这些要求的一个示例，日本特许公开专利申请No.4-50908和9-33850提出了一种扫描光学系统，其中扫描光学元件由单个元件构成。
在日本特许公开专利申请No.4-50908中，相对于主扫描方向在扫描光学元件中使用了一种高阶非球面，以相对较好地校正象差特性。但是，由于光偏转器和所要扫描表面之间的放大率相对于副扫描方向不恒定，所以沿着副扫描方向的光斑直径会随着图像高度变化。
另一方面，日本特许公开专利申请No.9-33850公开了一种扫描光学器件，它具有如此布置的扫描光学元件在其至少两个透镜表面中，沿着副扫描方向的曲率在成像透镜的有效部分内并且沿着主扫描方向连续地变化，而且与沿着主扫描方向的曲率无关。因此，通过使两个表面弯曲来控制主平面沿着副扫描方向的位置，从而使得副扫描放大率在不同图像高度情况下保持恒定，由此使得光斑直径恒定。
但是在该方法中，为了使副扫描放大率恒定，要使至少两个表面弯曲以便控制主平面的位置，从而使得放大率恒定。因此，沿着主方向的形状和沿着副方向的形状完全相互独立地确定。因此，为了使透镜厚度保持较小，在许多情况中，沿着主扫描方向的透镜形状包含相当大的非球面量(aspherical amount)。
在如上所述沿着主扫描方向具有大的非球面量的透镜的情况中，由于每个透镜表面和透镜自身的布置误差，光学性能会减低很多。对于光学性能的降低，尤其是沿着副扫描方向的扫描线弯曲导致严重的问题，因为与扫描线高度或扫描线倾斜的偏移相比，它不能通过对设置在该器件的主组件中的反射镜等进行调整而校正。因此，为了使扫描线弯曲最小化，每个透镜表面和透镜本身必须严格按照设计数值精确地设置。或者，必须为透镜增加调整机构，以准确按照设计来调整布置。
对于其中使用了四个分别都设有一个光学扫描器件的感光元件(感光鼓)并且通过使用激光产生潜像的彩色成像设备而言，在相应的感光元件的表面上分别形成四种颜色Y(黄)、M(品红)、C(青)和BK(黑)的图像，这样形成在各感光元件上的四色Y、M、C和BK的图像应该在转移媒介例如纸张上一个接一个的重叠。因此，如果与四个感光元件相对应的扫描器件的扫描线分别具有曲率的话，则在四色的扫描线形状上产生误差，这将使得在转印材料上形成的图象中出现色彩重合不良。这导致图象性能的显著降低。
图19显示出扫描线在所要扫描表面上的漂移量，其中在上述日本专利申请中所示的实施方案的结构中，扫描光学元件和其光学表面沿着与主扫描方向垂直的方向(副扫描方向)偏离50微米。从图中可以看出，通过光学表面的偏离产生出大的扫描线弯曲，因此为了获得高质量图象，布置精确度必须提高并且需要进行偏离调节。
在图19中，曲线R1描述了扫描线弯曲量，其中只有fθ透镜6的光入射表面沿着副扫描方向偏离。曲线R2描述了扫描线弯曲量，其中只有fθ透镜6的光出射表面偏离。实线描述了扫描线弯曲量，其中fθ透镜6的光入射表面和光出射表面都偏离。
发明概述本发明的第一个目的在于提供一种扫描光学器件和一种使用该器件的成像设备，利用该器件和设备，在模制透镜中，即使由于模制等的精确度不够而使得光出射表面沿着Z方向(副扫描方向)相对于光入射表面产生偏差，由于在扫描透镜的每个表面处的副扫描放大率可以基本保持恒定，所以也可以避免在所要扫描的表面处由于沿着副扫描方向的偏差而产生的扫描线弯曲。
本发明的第二目的在于提供一种扫描光学器件和使用了该器件的成像设备，利用该器件和设备，可以非常良好地校正作为光学系统特性的场曲率特性、恒速扫描的fθ特性以及波前像差，并且利用该器件和设备，通过给扫描光学器件射定适当的形状，从而可以减小由于模制透镜的布置误差而产生的扫描线弯曲。
从下面本发明的优选实施方案的说明中并且结合附图将更加了解本发明的这些和其它目的、特征和优点。
附图的简要说明图1为根据本发明的第一实施方案的扫描光学器件沿着主扫描方向的截面图；图2为根据本发明第一实施方案的扫描光学器件沿着副扫描方向的截面图；图3为用于说明能有效使得副扫描放大率恒定的主扫描形状的示意图；图4阐述了在第一实施方案中的设计数据；图5A-5C为用于说明在第一实施方案中的几何像差和副扫描放大率差异的曲线图；图6为用于说明在第一实施方案中由于扫描光学元件偏差而产生的扫描线偏移量的曲线图；图7为根据本发明第二实施方案的扫描光学器件沿着主扫描方向的截面图；图8为根据本发明第二实施方案的扫描光学器件沿着副扫描方向的截面图；图9为彩色成像设备的截面图；图10阐述了在第二实施方案中的设计数据；图11A-11C为用于说明在第二实施方案中的几何像差和副扫描放大率差异的曲线图；图12为用于说明在第二实施方案中由于扫描光学元件偏差而导致的扫描线偏移量的曲线图；图13为根据本发明第三实施方案的扫描光学器件沿着主扫描方向的截面图；
图14为根据本发明第三实施方案的扫描光学器件沿着副扫描方向的截面图；图15阐述了在第三实施方案中的设计数据；图16A-16C为用于说明在第三实施方案中的几何像差和副扫描放大率差异的曲线图；图17为用于说明在第三实施方案中由于扫描光学元件偏差而导致的扫描线偏移量的曲线图；图18为传统扫描光学器件的示意图；图19为用于说明在现有技术结构中由于扫描光学元件偏差而导致的扫描线偏移量的曲线图；图20为成像设备的截面图；图21为根据本发明第四实施方案的扫描光学器件沿着主扫描方向的截面图；图22为根据本发明第四实施方案的扫描光学器件沿着副扫描方向的截面图；图23阐述了在第四实施方案中的设计数据；图24显示出在第四实施方案中光线以及光线距离的坐标图；图25A-25C为用于说明在第四实施方案中的几何像差和副扫描放大率差异的曲线图。
优选实施方案的详细说明现在将参照附图对本发明的优选实施方案进行说明。
图1为根据本发明第一实施方案的扫描光学器件沿着主扫描方向的截面图。图2为沿着副扫描方向的截面图。
该实施方案使用了单透镜，该透镜是一种通过模制工艺模制而成的塑料透镜。但是，在模制透镜中，本发明还可以应用于玻璃模制透镜。
例如，在图中的1处所示为光源装置，该装置可以包括例如半导体激光器。在2处所示为准直透镜，并且在3处所示为用于限制光通量(光量)的光阑。在4处所示为柱面透镜。
在5处所示为光偏转器，该器件由多角镜构成，该多角镜在驱动装置例如电机的作用下沿着箭头方向转动。在61处所示为具有fθ特性的扫描光学元件，在该实施方案中，它由单透镜构成。在8处所示为作为所要扫描的表面的感光鼓。
从半导体激光器(光源装置)1发出的发散光束通过准直透镜2转换成基本上平行的光。在由光阑3限制其光量的同时，该光束进入柱面透镜4。关于主扫描方向，光束实际上直接原样入射在多角镜(光偏转器)5上。另一方面，关于副扫描方向，光束由主面透镜4在多角镜表面附近成像。因此入射在多角镜5上的光束形成沿着主扫描方向被拉长的线状图像。
随着多角镜5由马达旋转，入射在多角镜5上的光束沿着箭头方向朝着扫描光学器件而扫描偏转，并且光束入射在具有fθ特性的扫描光学元件61上。扫描光学元件61沿着主扫描方向和副扫描方向分别具有不同的折射能力。它用来使来自多角镜的偏转光束在要被扫描的表面上成像，并且它还用来校正多角镜表面的坡降(倾斜)。因此使入射在扫描光学器件61上的光束在要扫描的表面8上成像，从而利用该光束对表面8(例如感光鼓表面)进行光学扫描。
在该实施方案中，折射表面的表面形状可以由以下结构表达式所表示。
以与光轴的交点作为原点，以光轴方向作为X轴，以在主扫描平面内与光轴正交的轴作为Y轴，以在副扫描平面内与光轴正交的轴作为Z轴，则对应于主扫描方向的子午线(母线)方向表示为x＝{(Y2/R)/[(1+(1-1+K)(Y/R)2)1/2]}+B4Y4+B6Y6+B8Y8+B10Y10其中R是光轴上子午线的曲率半径，K、B4、B6、B8和B10是非球面系数。
对应于副扫描方向的弧矢线方向(包含光轴并与主扫描方向正交的方向)如下s＝(Z2/r’)/[1+(1-(Z2/r’)2)1/2]r′＝r0(1+D2Y2+D4Y4+D6Y6+D8Y8+D10Y10其中r0是光轴上弧矢线的曲率半径，D2、D4、D6、D8和D10是系数。
离开光轴的弧矢线的曲率半径r′定义在在每个位置处包含子午线法线并垂直于主扫描方向的平面内。而且，尽管结构表达式中的多项式是用直至第十阶的函数来表达的，但是该阶数可以更高或更低。
为了解决上述这些问题，根据本发明这个实施方案的扫描光学元件具有以下三种功能。
a) 校正副扫描场曲率和表面坡降(倾斜)靠近多角镜反射表面的线状图像在所要扫描的表面附近再次成像，并且在图像形成区域内沿着副扫描方向的场曲率被校正。多角镜的坡降或倾斜也被校正。
b) 使得在图像形成区域(image effective region)内的扫描光学元件放大率恒定使得沿着副扫描方向的扫描光学元件的成像放大率(以下称为“副扫描放大率”)在图像形成区域内大致恒定，由此调整入射在要被扫描的表面上的光束的副扫描方向Fno，并且使得在图像形成区域内的副扫描光斑直径均匀。还有，在多光束扫描光学器件中，使得相邻扫描线的间距恒定。从扫描器件的实用观点看，在成像区域内沿着副扫描方向在成像放大率上的差异应该保持为不大于10％，更优选的是不大于5％。
另外，如果由于透镜在光学外壳(筒)上的装配的偏差或者透镜生产中的偏差，整个扫描光学元件沿着与主扫描平面的方向(在下面称为“Z方向”)偏离，一旦使得扫描光学元件的副扫描放大率大致恒定，则在所要扫描的表面上的扫描线可以均匀地偏移，从而可以避免由于偏离而导致的扫描线弯曲。
c)使得在图像形成区域内的扫描光学元件的每个光学表面的副扫描放大率稳定如果由于模制中的精确度不够而在模制透镜中出现光出射表面相对于光入射表面的Z方向偏离，则一旦使得在扫描透镜的每个光学表面处的扫描放大率大致恒定，那么就可以同样避免由于偏差而使要被扫描的表面处的扫描线产生弯曲。尤其是，由于在光轴上沿着副扫描方向具有大折射能力的表面显示出对偏差的高敏感度，因此使得其光学表面的副扫描放大率恒定是至关重要的。
从扫描光学器件的实用角度而言，在图像形成区域内，由于在光轴上沿着副扫描方向具有大折射能力，所以在这种光学表面产生的沿着副扫描方向的成像放大率(副扫描放大率)差值应当被保持为不大于10％，更优选的是不大于5％。此处，在光学表面的副扫描放大率是由目标距离和相对于光学表面的图像距离之间的比率所表示的比例。还有，其数量与在光学表面沿着Z方向偏离时每单位量在所要扫描表面上的光入射位置变化量相对应。
代替该比例，可以使扫描光学元件沿着副扫描方向的折射能力比恒定，因为在这种光学表面(x表面)处在光轴上沿着副扫描方向具有的大折射能力较大。这样，可以获得类似的效果。在这种情况下，应该满足下面条件。
0.9φm/φp≤φmx/φpx≤1.1φm/φp(1)第三光学元件沿着副扫描方向的折射能力为φp(近轴)和φm(最离轴)，并且相同光学元件在x表面处沿着副扫描方向的折射能力为φpx(近轴)和φmx(最离轴)。这里，对于φm和φmx而言，沿着主扫描方向的折射必须考虑。例如，它可以由下式计算出φmx＝(nicosθi-nocosθo)/r其中no为目标侧折射率，ni为图像侧折射率，θo为目标侧入射角，并且θi为图像侧入射角。
根据本发明，作为实施上述实施例的特定方法，通过单透镜提供该扫描光学元件，并且通过满足以下方面来实现上述a)、b)和c)三项。
1)扫描光学元件沿着主扫描方向的光出射表面的形状如此确定，从而使得在图像形成区域内的副扫描放大率基本上恒定。
2)将沿着副扫描方向的几乎所有折射能力给予扫描光学元件的光出射表面。
3)扫描光学元件的光出射表面沿着副扫描方向的曲率沿着主扫描方向从近轴位置到离轴位置连续变化。
如图3中所示，用于使得副扫描放大率恒定的主扫描形状是这样一种形状，该形状使得从多角镜表面(偏转表面)到扫描光学元件的光出射表面的空气换算(converted with air)距离P1或M1(在透镜内部，用“实际距离”/“折射率”换算)和从光出射表面到所要扫描的表面的距离P2或M2之间的比值在图像形成区域内基本上恒定。它可以是曲率中心在偏转器一侧的大致圆形的光学表面。通过将沿着副扫描方向的几乎所有折射能力设置在那个光学表面上，可以使得扫描光学元件的副扫描放大率在图像形成区域内基本上恒定。另外，在光出射表面上的副扫描放大率变得基本上恒定。从扫描光学器件的实用观点来看，在从多角镜表面(偏转表面)到扫描光学元件的光出射表面的空气换算距离和从光出射表面到所要扫描的表面的距离之间的比率的变化量应该保持为不大于10％，更优选的是不大于5％。
这样，仅通过使用这样的结构，即扫描光学元件61沿着副扫描方向的折射能力集中在光出射表面61b处并且弧矢线的曲率半径在它沿着主扫描方向移动离开光轴时连续地改变，即可以使得沿着副扫描方向的场曲率以及副扫描放大率在表面8上的整个扫描形成区域上一致。同时它们可以得到良好的校正。
这里，关于因为在多角镜5表面上没有转动中心所以可能产生出的偏转表面的振动，由于该量非常小所以可以忽略不计。
为了降低扫描线曲率的灵敏度，要求成像光学系统沿着副扫描方向的折射能力集中在单透镜的一个表面处。在沿着副扫描方向的折射能力被多个光学元件或多个表面所分享的情况中，不仅相应光学器件的布置误差产生的扫描线曲率可能被累积，而且由设置在光偏转器一侧的光学器件产生的扫描线曲率可能被设置在所扫描表面一侧的光学元件的布置误差放大。因此，为了降低扫描线曲率的灵敏度，最佳的方式是通过单透镜提供成像光学系统并且将沿着副扫描方向的折射能力大致集中在单透镜的一个表面处。关于沿着副扫描方向的折射能力集中程度而言，从扫描光学器件的实用角度看，相对于单透镜的所有副扫描折射能力，它应该不小于90％，优选的是不小于95％。
图4显示出在该实施方案中的设计数据。
在该实施方案中，扫描光学元件61具有沿着主扫描方向形成非球形的光入射表面，并且它形成沿着副扫描方向为平面的柱面。光出射表面沿着主扫描方向形成为圆形，并且沿着副扫描方向形成为具有与主扫描方向不同的圆形以及根据主扫描方向而改变的曲率的变形复曲面。
光出射表面的主扫描形状根据上述第1)项确定，从而副扫描放大率在图像形成区域内变得基本上恒定。还有，沿着副扫描方向的折射能力集中在光出射表面处。
沿着整个扫描光学元件的副扫描方向，并且在其中在光轴上沿着副扫描方向的折射能力最大的光出射表面处的折射能力如下表1中所示，满足了条件(1)。
表1

在该实施方案的扫描光学器件中，沿着光轴从多角镜的反射表面5a到扫描光学元件61的光出射表面61b的空气换算距离(透镜内部，“实际距离”/“折射率”)为La0＝63.193mm。从扫描光学元件61的光出射表面61b到所要扫描的表面8的距离为Lb0＝147.283mm。从偏离轴线的多角镜的反射表面5a到扫描光学元件61的光出射表面61b的空气换算距离为Laθ＝72.843mm。从扫描光学元件61的光出射表面61b到所要扫描的表面8的距离为Lbθ＝170.742mm。由此得出(Lbθ/Laθ)＝1.0057×(Lb0/La0)...a)因此，表面61a和61b的主扫描方向形状(子午线形状)确定为满足以下关系0.9×(Lb0/La0)≤(Lbθ/Laθ)≤1.1×(Lb0/La0) ...b)计算时，反射表面5a和要扫描最离轴部分时的入射光的主光线之间的相交点被当作X和Y坐标轴的原点。
沿着副扫描方向的Fno的比率由下式给出Fmin/Fmax＝0.982≥0.9可以看出，提供恒定副扫描放大率的条件得到了满足。
如果上述成像光学系统的光路长度为L并且其焦距为f，则存在以下关系式1.35f≤L＝1.45≤1.55f沿着主扫描方向的光出射表面的形状如此确定，使得副扫描放大率恒定，另外还使光路长度和焦距之间的关系得到满足，这样就能够有效地校正沿着主扫描方向的场曲率和fθ特性。
如果上述整个成像光学系统沿着副扫描方向的折射能力为φs，并且光出射表面(第二表面)沿着副扫描方向的折射能力为φs2，则存在以下关系式0.9≤φs2/φs＝1.0≤1.1在沿着副扫描方向的光焦度集中在光出射表面处的情况下，确保了提供这样一种系统，其中扫描线曲率对布置的灵敏度较低。
图5A-5C显示出在该实施方案中扫描光学元件的几何像差和副扫描放大率差异，并且可以看出它们得到很好的校正。在图像形成区域内的副扫描放大率差异为在光入射表面0％(平面)在光出射表面1.4％。
因此，可以看出在沿着副扫描方向在光轴上的折射率光焦度最大的光出射表面处，副扫描放大率在图像形成区域内基本上恒定。
图6显示出在所要扫描的表面上的扫描线(沿着Z方向)的偏移量，其中在该实施方案中，整个扫描光学元件及其每个光学表面沿着Z方向偏离大约50微米的偏移量。从图中看出，虽然光入射位置由于该偏差而位移，但是所产生的扫描线曲率(曲线)的量非常小。
在图6中，曲线R1描述了在只有fθ透镜61的光入射表面偏离的情况下的扫描线曲率量。曲线R2描述了在只有fθ透镜61的光出射表面偏离的情况下的扫描线曲率量。实曲线描述了在fθ透镜61的光入射和出射表面均偏离的情况下的扫描线曲率量。
即，从图6中所示的结果可以看出，即使由于透镜组装到光学套筒(镜筒)时的误差或者透镜自身制造中的误差而使整个扫描透镜沿着垂直于扫描透镜的方向(Z方向)偏离，一旦使得扫描透镜的副扫描放大率大致恒定，则在要被扫描的表面上的扫描线可以被一致地移动，从而也可以避免由于偏差而产生的扫描线弯曲。
还有，从图中6所示的结果可以看出，尤其是在模制透镜中，即使由于模制的精度不够而存在光出射表面相对于光入射表面的Z方向偏差，一旦使得扫描透镜每个光学表面的副扫描放大率大致恒定，那么同样可以避免由于该偏差而导致扫描线在所要扫描的表面处沿着副扫描方向出现弯曲。
如上所述，在该实施方案中，扫描光学器件是由具有圆柱表面和变形的复曲面的单透镜构成的，并且使得该扫描光学器件及其每个光学表面的副扫描放大率在图像形成区域内基本恒定。利用这种布置，即使由于设置误差或制造误差而导致整个扫描光学器件或者其每个光学表面出现偏离，也可以避免扫描线的弯曲。因此，该实施方案在单透镜和低成本的基础上实现了这种扫描光学设备。
图7为根据本发明第二实施方案的扫描光学器件沿着主扫描方向的截面图，并且图8为沿着副扫描方向的截面图。该第二实施方案与第一实施方案的不同之处在于，使用多光束激光器作为光源；扫描光学器件结合进彩色成像设备；并且扫描光学器件的光入射表面和光出射表面形状改变了。剩余部分类似于第一实施方案。
在图中11处所示为多光束激光器(光源)，并且它同时产生出两条光束(在图中只显示出一条)，它们相互单独地进行调制。在该实施方案中，该扫描光学器件结合进例如在图9中所示的彩色成像设备。更具体地说，在图9中所示的设备为一种彩色成像设备，其中来自多个扫描光学器件的多条光束分别引导到相应图像承载部件上，从而在其上记录不同颜色的图像信息。
图10显示出在该实施方案中的设计数据。
在该实施方案中，扫描光学元件62具有沿着主扫描方向形成非球形形状的光入射表面，并且沿着副扫描方向该元件形成具有小折射能力的凸形复曲面。关于光出射表面，它沿着主扫描方向形成为非球形形状，并且沿着副扫描方向形成为具有与主扫描方向不同的圆形并且具有根据主扫描方向变化的曲率的变形复曲面。
光出射表面的主扫描形状根据上述第1)项来确定，并使副扫描放大率在图像形成区域内变得基本上恒定。另外，对于沿着副扫描方向的折射能力而言，虽然在光入射表面一侧分布较少，但是大多数折射能力集中在光出射表面处。在光入射表面一侧的折射能力分布可以不大于扫描光学元件的折射能力的10％，并且在该条件下可以获得本发明的有利效果。
图11A-11C显示出在该实施方案中扫描光学元件的几何像差和副扫描放大率差异，并且可以看出它们受到良好校正。沿着整个扫描光学元件的副扫描方向，并且在光轴上沿着副扫描方向的折射能力最大的光出射表面处的折射能力如在下面表2中所示，条件(1)得到了满足。
表2

另外，在该实施方案中，还获得关系式Lbθ/Laθ＝0.9748×(Lb0/La0)，这满足以下关系式0.9×(Lb0/La0)≤(Lbθ/Laθ)≤1.1×(Lb0/La0)另外，如果上述整个成像光学系统沿着副扫描方向的折射能力为φs，并且光出射表面(第二表面)沿着副扫描方向的折射能力为φs2，则存在以下关系式0.9≤φs2/φs＝0.932≤1.1图12显示出在所要扫描表面上的扫描线(沿着Z方向)的偏移量，其中在该实施方案中，整个扫描光学元件及其每个光学表面沿着Z方向偏离50微米的偏移量。从图中可以看出，虽然由于偏差而导致光入射位置偏移，但是所产生的扫描线曲率(弯曲)量非常小。
如上所述，在该实施方案中，扫描光学元件由具有柱面和变形的复曲面的单透镜构成，并且使扫描光学元件的副扫描放大率及其每个光学表面的副扫描放大率在图像形成区域内基本上恒定。通过这样的布置，从而即使出现整个扫描光学元件的偏差或者其每个光学表面的偏差，也可以避免扫描线弯曲。因此，该实施方案在单透镜和低成本的基础上实现这样一种扫描光学器件。
另外，该实施方案的一个特别有利的效果在于，由于在图像形成区域内实现的扫描光学元件的恒定副扫描放大率，所以可以使得在所要扫描的表面上由使用多条光束的扫描光学器件中的多条光束所限定的扫描线的间距一致。因此，提供了一种可以实现高精度成像操作的扫描光学器件。
另外，由于使在扫描光学元件的相应光学表面处的副扫描放大率一致，所以可以实现这样一种彩色成像设备，其中，元件的创造误差等没有产生任何扫描线曲率，因而不必调校扫描线曲率(弯曲)，并且彩色重合不良较小。
图13为根据本发明第三实施方案的扫描光学器件沿着主扫描方向的截面图，并且图14为沿着副扫描方向的截面图。该第三实施方案与第一实施方案的不同之处在于，扫描光学元件的光入射表面和光出射表面的形状是变化的，并且扫描光学器件结合进成像设备中。剩余部分与第一实施方案类似。
图15显示出在该实施方案中的设计数据。
在该实施方案中，扫描光学元件63具有沿着主扫描方向形成非球形形状的光入射表面，并且沿着副扫描方向该元件形成凸形复曲面。关于光出射表面，它沿着主扫描方向形成为非球形形状，并且沿着副扫描方向它形成为具有与主扫描方向不同的圆形并且具有根据主扫描方向变化的曲率的变形复曲面。
沿着整个扫描光学元件的副扫描方向并且在光轴上沿着副扫描方向的折射能力最大的光出射表面处的折射能力例如如下面表3中所示，条件(1)得到了满足。
表3

另外，在该实施方案中还得到关系式Lbθ/Laθ＝1.0057×(Lb0/La0)，这满足以下关系式0.9×(Lb0/La0)≤(Lbθ/Laθ)≤1.1×(Lb0/La0)
另外，如果上述整个成像光学系统沿着副扫描方向的折射能力为φs，并且光出射表面(第二表面)沿着副扫描方向的折射能力为φs2，则存在以下关系式0.9≤φs2/φs＝0.929≤1.1光出射表面的主扫描形状根据上述第1)项来确定，并使副扫描放大率在图像形成区域内变得基本上恒定。另外，对于沿着副扫描方向的折射能力而言，它集中在光出射表面处。
图16A-16C显示出在该实施方案中扫描光学元件的几何像差和副扫描放大率差异，并且可以看出它们受到良好校正。在图像形成区域内的副扫描放大率差异为在光入射表面处为65％在光出射表面处为5.3％。
因此可以看出在光出射表面上，在光轴上沿着副扫描方向的折射能力最大的位置处，该副扫描放大率在图像形成区域内基本上恒定。这里应该注意的是，分配给光入射表面上的折射能力非常小，并且由于因那个表面的偏差而导致的扫描线自身的偏移量较小，所以在光出射表面处的大的副扫描放大率差异不会引起麻烦。在光入射表面一侧的折射能力分布可以不大于扫描光学元件的折射能力的10％，并且在该条件下可以得到本发明的有利效果。
图17显示出在所要扫描的表面上扫描线(沿着Z方向)的偏移量，其中在该实施方案中，整个扫描光学元件及其每个光学表面沿着Z方向偏移50微米的偏移量。从图中可以看出，虽然光入射位置由于该偏离而发生位移，但是所产生出的扫描线曲率(弯曲)量非常小。
图21为根据本发明第四实施方案的扫描光学器件的主要部分沿着主扫描方向的截面图(主扫描断面)，图22为沿着副扫描方向的图21的截面图(副扫描断面)。
该第四实施方案与第一实施方案的不同之处在于，扫描光学元件的第一表面沿着主扫描方向具有弓形形状，并且第二表面具有非球形形状。虽然沿着主扫描方向的形状与第一实施方案的不同，但是可以获得良好的像差特性并且确保足够的成像特性。
图23显示出扫描光学元件64的非球面系数的各种系数以及其它特性。
图24显示出通过该实施方案的扫描光学元件64的主光线的坐标以及从反射表面5a到各个表面的光线距离。
沿着整个扫描光学元件的副扫描方向并且在光出射表面的在光轴上沿着副扫描方向的折射能力最大的位置处的折射能力如下表4中所示。
表4

在该实施方案的扫描光学器件中，沿着光轴从多角镜的反射表面5a到扫描光学元件64的光出射表面64b的空气换算距离(透镜内部，“实际距离”/“折射率”)为La0＝67.288mm。从扫描光学元件64的光出射表面64b到所要扫描的表面8的距离为Lb0＝147.187mm。从偏离轴线的多角镜的反射表面5a到扫描光学元件61的光出射表面61b的空气换算距离为Laθ＝77.094mm。从扫描光学元件61的光出射表面61b到所要扫描的表面8的距离为Lbθ＝171.095mm。由此得出(Lbθ/Laθ)＝1.0145×(Lb0/La0)...a)因此，表面64a和64b(尤其是光出射表面64b)的主扫描方向形状(子午线形状)确定为满足以下关系0.9×(Lb0/La0)≤(Lbθ/Laθ)≤1.1×(Lb0/La0) ...b)图25A-25C显示出根据该实施方案的光学扫描器件的旁轴像差(场曲率、变形、副扫描放大率差异)。在场曲率中，实线表示副扫描方向，虚线表示主扫描方向。从这些像差视图中可以看出，在该实施方案中，旁轴像差得到良好的校正，并且实现了一种适合用于超精细打印的光学扫描器件。
Fno沿着副扫描方向的比率由下式给出Fmin/Fmax＝1≥0.9可以看出，提供恒定副扫描放大率的条件得到了满足。
如果上述成像光学系统的光路长度为L并且其焦距为f，则存在以下关系1.35f≤1.487≤1.55f沿着主扫描方向的光出射表面的形状如此确定，使副扫描放大率恒定，还使光路长度和焦距之间的关系得到满足，这样就能够有效校正沿着主扫描方向的场曲率和fθ特性。
如果上述整个成像光学系统沿着副扫描方向的折射能力为φs，并且光出射表面(第二表面)沿着副扫描方向的折射能力为φs2，则存在以下关系0.9≤φs2/φs＝1.0≤1.1在沿着副扫描方向的折射能力集中在光出射表面处的情况下，确保了提供这样一种系统，其中扫描线曲率对布置的灵敏度较低。
这里，省去了当扫描光学元件64在副扫描断面内并且沿着与光轴垂直的Z方向移动时扫描线弯曲的说明。应该注意的是，和图6一样基本上没有产生任何扫描线弯曲，并且它没有到达在该设备中要被考虑的程度。
图20为根据本发明的实施方案的成像设备的主要部分沿着副扫描方向的示意图。在图中大体上104处所示为一种成像设备。将来自外部装置117例如个人电脑的编码数据Dc提供给该成像设备104。该编码数据通过该设备内部的打印机控制器111被转换成成像数据(点数据)Di。将该成像数据Di输进具有参照前面实施方案中任一所述的结构的扫描光学器件100中。该扫描光学器件100发射出根据成像数据Di所调制的光束103。通过光束103沿着主扫描方向扫描感光鼓101的感光表面。
通过电机115使作为静电潜像承载部件的感光鼓101沿着顺时针方向转动。通过该转动，感光鼓101的感光表面沿着与主扫描方向垂直的副扫描方向移动。设置在感光鼓101上方的是充电辊102，该充电辊是如此安装的，从而其表面接触感光鼓101的表面以便使鼓表面均匀充电。用通过扫描光学器件100扫描地偏转的扫描光束103照射已经通过充电辊102充电的感光鼓101的表面。
如上所述，光束103根据成像数据Di进行调制，从而通过使该光束103投射到感光鼓101的表面上，在那里产生出静电潜像。随后通过显影装置107将该静电潜像显影为色粉图像，所述显影装置设置成相对于感光鼓101的转动方向在光束103的入射位置下游的位置处与感光鼓101啮合。
通过设置在感光鼓101下面并且安装成与感光鼓相对的转印滚筒108将由显影装置107显影的色粉图像转印到纸张112(转印材料)上。纸张112装在感光鼓101前面(在图中的右手侧)的存纸盒109中。但是，可以手动地输送纸张。设置在存纸盒109的端部处的是输纸辊110，该辊用来将存纸盒109里面的单片纸张112输送给输送通道。
将其上具有尚未固定的色粉图像的纸张112输送给感光鼓101后面(在图中的左手侧)的定影装置。该定影装置包括具有内部加热器(未示出)的定影辊113以及设置成与定影辊113压接触的压辊114。从转印段中输出的纸张112被加热，同时在加热辊113和压辊114之间的压力啮合处受压，这样就使得在纸张112上的未定影色粉图像定影。在定影辊113后面是排纸辊116，它们用来向该成像设备的后面排出所述被定影的纸张112。
虽然在图中未示出，但是打印机控制器111不仅用来转换如上所述的数据而且用来对图像形成设备的各个内部零件例如电机105或扫描光学器件内部的多角镜马达进行各种控制。
如上所述，在该实施方案中，扫描光学元件由具有复曲面和变形的复曲面的单透镜构成，并且使得扫描光学元件及其每个光学表面的副扫描放大率基本上保持恒定。通过这样的设置，该实施方案实现了一种扫描光学器件，其中即使由于布置误差或制造误差而出现了整个扫描器件的偏差或者其每个扫描表面的偏差，也可以避免扫描线的弯曲。另外，当扫描光学器件结合进成像设备中时，可以提供一种其扫描线弯曲较小的高质量设备。
根据如上所述的本发明，扫描光学器件的扫描光学元件的主扫描形状和副扫描折射能力布置都被正确地设定，这使得能够提供这样一种扫描光学器件以及采用该器件的彩色成像设备，其中模制透镜的基本性能可以令人满意地得到校正，另外，可以使由于模制精确度不够而导致光出射表面沿着Z方向(副扫描方向)相对于光入射表面的偏差引起的扫描线弯曲减小。
虽然已经参照在这里所披露的结构进行了说明，但是本发明并不限于上述的这些内容，该申请涵盖在所附权利要求的范围或改进范围内的所有改进或改变。
权利要求
1.一种扫描光学器件，它包括光源；用于使从所述光源中发出的光束扫描地偏转的偏转元件；以及用于使所偏转的光束在所要扫描的表面上成像的扫描光学元件；其中所述扫描光学元件包括用模制工艺制成的单透镜；其中，所述扫描光学元件沿着副扫描方向的近轴成像放大率和离轴成像放大率之间的差异不大于10％；并且其中，相对于在光轴上沿着副扫描方向具有较大折射能力的所述单透镜的两个光学表面中的预定一个，所述单透镜的光学表面的形状如此确定从而满足以下关系式0.9φm/φp≤φmx/φpx＝1.0≤1.1φm/φp其中φp为所述单透镜在所述光轴上沿着副扫描方向的折射能力，φm为所述单透镜在最离轴处沿着所述副扫描方向的折射能力，φpx为所述单透镜在光轴上沿着副扫描方向在所述预定光学表面处的折射能力，并且φmx为所述单透镜在最离轴处沿着副扫描方向在所述预定光学表面处的折射能力。
2.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的所述预定光学表面为光出射表面。
3.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中沿着副扫描方向在所述单透镜的光出射表面处的折射能力满足关系式0.9≤φs2/φs≤1.1，其中φs为整个所述扫描光学元件沿着副扫描方向的折射能力，而φs2为在所述单透镜的所述光出射表面处的折射能力。
4.一种如权利要求3所述的扫描光学器件，其中沿着副扫描方向在所述单透镜的光出射表面处的折射能力满足关系式0.95≤φs2/φs≤1.05。
5.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的光出射表面沿着主扫描方向的形状满足下式0.9×(Lb0/La0)≤(Lbθ/Laθ)≤1.1×(Lb0/La0)其中La0为在光轴上从所述偏转元件到所述单透镜的光出射表面的空气换算距离，Lb0为从所述单透镜的光出射表面到所要扫描的表面的距离，Laθ为从离轴的所述偏转元件到所述单透镜的光出射表面的空气换算距离，Lbθ为从所述单透镜的光出射表面到所要扫描的表面的距离。
6.一种如权利要求5所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的光出射表面沿着主扫描方向的形状满足下式0.95×(Lb0/La0)≤(Lbθ/Laθ)≤1.05×(Lb0/La0)
7.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中，为沿着主扫描方向拉长的线状图像的形式的光入射在所述偏转元件上。
8.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中光出射表面沿着副扫描方向的折射能力和/或光入射表面沿着副扫描方向的折射能力与沿着主扫描方向的形状无关地变化。
9.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中所述光出射表面沿着副扫描方向的曲率半径从近轴到离轴变化。
10.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中所述光出射表面和所述光入射表面是一种变形表面。
11.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的光出射表面具有弓形形状。
12.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的所述光出射表面具有弓形形状以外的形状。
13.一种如权利要求11所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的光出射表面沿着主扫描方向的形状是曲率中心在偏转元件一侧的弓形形状。
14.一种如权利要求1所述的扫描光学器件，其中所述光源包括具有多个适于单独进行调制的发光点的多光束光源。
15.一种成像设备，它包括如权利要求1所述的扫描光学器件；设置在所要扫描表面处的感光部件；显影装置，用于将通过由所述扫描光学系统所扫描的光形成在所述感光部件上的静电潜像显影成色粉图像；转印装置，用来将被显影的色粉图像转印到转印材料上；以及定影装置，用来使在转印材料上的被转印的色粉图像定影。
16.一种成像设备，包括如权利要求1所述的扫描光学器件；以及打印机控制器，用来将从外部装置输入的编码数据转换成成像信息，并且用来将该信息传送给所述扫描光学器件。
17.一种彩色成像设备，包括多个如权利要求1所述的扫描光学器件；以及多个图像负载部件，每个部件设置在由所述多个扫描光学器件中的相应一个扫描的表面处，用来形成不同颜色的图像。
18.一种扫描光学器件，包括光源；用于使从所述光源中发出的光束扫描地偏转的偏转元件；以及用于使所偏转的光束在所要扫描的表面上成像为点状的扫描光学元件；其中所述扫描光学元件包括用模制工艺制成的单透镜；其中所述单透镜的光学表面的形状如此确定，从而所述扫描光学元件沿着副扫描方向并且在图像形成区域内的成像放大率差异不大于10％，并且，在光轴上沿着副扫描方向具有更大折射能力的所述单透镜的两个光学表面中的预定一个沿着副扫描方向在图像形成区域内的成像放大率的差异不大于10％。
19.一种如权利要求18所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的所述预定光学表面是光出射表面。
20.一种如权利要求19所述的扫描光学器件，其中沿着副扫描方向在所述单透镜的光出射表面处的折射能力满足关系式0.9≤φs2/φs≤1.1，其中φs为整个所述扫描光学元件沿着副扫描方向的折射能力，而φs2为在所述单透镜的所述光出射表面处的折射能力。
21.一种如权利要求20所述的扫描光学器件，其中沿着副扫描方向在所述单透镜的光出射表面处的折射能力满足关系式0.95≤φs2/φs≤1.05。
22.一种如权利要求18所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的光出射表面沿着主扫描方向的形状满足下式0.9×(Lb0/La0)≤(Lbθ/Laθ)≤1.1×(Lb0/La0)其中La0为在光轴上从所述偏转元件到所述单透镜的光出射表面的空气换算距离，Lb0为从所述单透镜的光出射表面到所要扫描的表面的距离，Laθ为从离轴的所述偏转元件到所述单透镜的光出射表面的空气换算距离，Lbθ为从所述单透镜的光出射表面到所要扫描的表面的距离。
23.一种如权利要求22所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的光出射表面沿着主扫描方向的形状满足下式0.95×(Lb0/La0)≤(Lbθ/Laθ)≤1.05×(Lb0/La0)
24.一种如权利要求18所述的扫描光学器件，其中，为沿着主扫描方向拉长的线状图像的形式的光入射在所述偏转元件上。
25.一种如权利要求18所述的扫描光学器件，其中光出射表面沿着副扫描方向的折射能力和/或光入射表面沿着副扫描方向的折射能力与沿着主扫描方向的形状无关地变化。
26.一种如权利要求19所述的扫描光学器件，其中所述光出射表面沿着副扫描方向的曲率半径从近轴到离轴变化。
27.一种如权利要求18所述的扫描光学器件，其中所述光出射表面和所述光入射表面是一种变形表面。
28.一种如权利要求18所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的光出射表面具有弓形形状。
29.一种如权利要求18所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的所述光出射表面具有弓形形状以外的形状。
30.一种如权利要求28所述的扫描光学器件，其中所述单透镜的光出射表面沿着主扫描方向的形状是曲率中心在偏转元件一侧的弓形形状。
31.一种如权利要求18所述的扫描光学器件，其中所述光源包括具有多个适于单独进行调制的发光点的多光束光源。
32.一种成像设备，包括如权利要求18所述的扫描光学器件；设置在所要扫描表面处的感光部件；显影装置，用于将利用由所述扫描光学系统所扫描的光形成在所述感光部件上的静电潜像显影成色粉图像；转印装置，用来将被显影的色粉图像转印到转印材料上；以及定影装置，用来使在转印材料上的被转印的色粉图像定影。
33.一种成像设备，包括如权利要求18所述的扫描光学器件；以及打印机控制器，用来将从外部装置输入的编码数据转换成成像信息并且用来将该信息传送给所述扫描光学器件。
34.一种彩色成像设备，包括多个如权利要求18所述的扫描光学器件；以及多个图像承载部件，每个部件设置在由所述多个扫描光学器件中的相应一个扫描的表面处，用来形成不同颜色的图像。
全文摘要
本发明公开了一种扫描光学器件以及使用该器件的成像设备，其中该扫描光学器件包括由单透镜提供的扫描光学元件。关于在光轴上沿着副扫描方向具有较大折射能力的单透镜的两个光学表面中的预定一个，确定该单透镜的光学表面的形状以满足下式0.9≤φm/φp≤φmx/φpx＝1.0≤1.1φm/φp其中φp为单透镜在光轴上沿着副扫描方向的折射能力，φm为单透镜在最离轴处沿着副扫描方向的折射能力，φpx为在光轴上沿着副扫描方向在单透镜的预定光学表面处的折射能力，φmx为在最离轴处沿着副扫描方向在单透镜的预定光学表面处的折射能力。
文档编号G02B26/10GK1402040SQ0214220
公开日2003年3月12日 申请日期2002年8月23日 优先权日2001年8月24日
发明者加藤学, 佐藤浩, 下村秀和, 石原圭一郎 申请人:佳能株式会社