CN101738724A - 光学扫描设备及使用其的图像形成设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学扫描设备及使用其的图像形成设备。所提供的光学扫描设备具有多个发光部分及包括光学元件的入射光学系统，其中，将光学元件的主扫描截面中的光学表面的每个形状形成为非圆形形状。当定义W为沿主扫描方向最远离光轴的特定发光部分之间的间隔，La为孔径光阑与入射光学系统的非圆形光学表面中最靠近光源单元的特定光学表面之间的光程长度，f₁为入射光学系统沿主扫描方向的焦距，以及D为在特定光学表面上沿主扫描方向从特定发光部分发出的光束沿主扫描方向的光束宽度时，满足公式2D≥|W·La/2f₁|≥D/8。

Description

光学扫描设备及使用其的图像形成设备

技术领域

本发明涉及一种光学扫描设备以及使用该光学扫描设备的图像形成设备。本发明适于采用电子照相术处理的图像形成设备，诸如激光束打印机、数字复印机或多功能打印机。

背景技术

常规上，在用于激光束打印机或数字复印机的光学扫描设备中，由入射光学系统将从光源单元发出的光束导向光偏转装置。

在这样的光学扫描设备中，可通过增加光源单元的发光部分的数量来实现高速度和高分辨率。

现有技术中提出了可通过增加光源单元的发光部分的数量来实现高速度和高分辨率的各种光学扫描设备(参见第H09-26550号特许公开日本专利申请以及第2001-154128号特许公开日本专利申请)。

第H09-26550号特许公开日本专利申请公开了一种通过按照相对于准直透镜的光轴对称的方式排列多个发光部分来改进多个光束间的光学性能的技术。

第2001-154128号特许公开日本专利申请公开了一种用于调整光源和激光器以改进在待扫描表面上的从多个发光部分发出的多个光束间的光学性能的技术。

在如上所述的传统光学扫描设备中，如果在沿着主扫描方向远离入射光学系统的光轴的位置包括多个发光部分的多射束光源单元被用于光源单元，则从多射束光源单元的每个发光部分发出的每个光束在待扫描表面上的焦点位置被移动，从而在光束之间出现光斑直径差。因此，存在图像恶化的问题。

此外，有必要增加入射光学系统的透镜的数量，从而不出现光束之间的光斑直径差。这不仅引起使得整个设备的尺寸及其复杂度上升的问题，而且引起入射光学系统的灵敏度增加的问题，因此，增加了由于制造误差造成的性能恶化。

假设将包括在主扫描方向上与准直透镜的光轴具有不同距离(由于设计和制造误差)的两个发光部分的光源单元用作包括多个发光部分的光源单元，所述多个发光部分在主扫描方向上彼此隔开。

在这种情况下，如果形成入射光学系统的准直透镜的透镜表面的形状在主扫描截面是圆形的，则在准直透镜的透镜表面中出现沿主扫描方向的像场弯曲。

换言之，在已经通过准直透镜的透镜表面的两个光束之间出现沿主扫描方向的会聚状态的差异。

例如，在已经通过准直透镜的透镜表面的两个准直光束之间出现沿主扫描方向的平行度差。

从待扫描表面上的两个发光部分发出的两个光束的焦点位置彼此不同。结果，在待扫描表面上的两个光束的光斑直径彼此不同，这造成基于从所述两个发光部分发出的两个光束的图像之间存在图像质量差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学扫描设备以及使用所述光学扫描设备的图像形成设备，它们能够减少主扫描方向的像场弯曲，当从在主扫描方向上彼此隔开的多个发光部分发出的多个光束通过入射光学系统时出现所述像场弯曲。

为了实现上述目的，本发明的一方面是一种光学扫描设备，包括：光源单元，其包括在主扫描方向上彼此隔开的多个发光部分；偏转单元，用于对从所述多个发光部分发出的多个光束进行偏转扫描；入射光学系统，用于将从所述多个发光部分发出的多个光束导向偏转单元；和成像光学系统，用于在待扫描表面上形成由偏转单元的偏转表面所偏转扫描的多个光束的图像，其中，入射光学系统包括在主扫描截面中包括至少一个非圆形光学表面的光学元件和用于限制进入偏转单元的光束的至少在主扫描方向上的光束宽度的孔径光阑，所述光学元件和孔径光阑从光源单元侧按照上述顺序被布置；光学元件的主扫描截面中的非圆形光学表面具有正焦度(power)从轴上到离轴减少的形状；以及当光源单元的多个发光部分中沿主扫描方向最远离光轴的发光部分之间的间隔表示为W(mm)，在主扫描截面中孔径光阑与入射光学系统的至少一个非圆形光学表面中最靠近光源单元的光学表面之间的光程长度表示为La(mm)，入射光学系统沿主扫描方向的焦距表示为f₁(mm)，以及从沿主扫描方向最远离光轴的发光部分发出的光束在入射光学系统的主扫描截面中的至少一个非圆形光学表面中最靠近光源单元的光学表面上沿主扫描方向的光束宽度表示为D(mm)时，满足以下表达式：2D≥|W·La/2f₁|≥D/8。

在上述光学扫描设备中，优选的是，进一步满足以下表达式：8×f₁＞|La|＞2×f₁。

此外，在上述光学扫描设备中，优选的是，入射光学系统包括：第一光学元件、第二光学元件和孔径光阑，从光源单元侧按照所述顺序来布置所述第一光学元件、第二光学元件和孔径光阑，其中，第二光学元件在的副扫描方向上具有焦度，用于在偏转单元的偏转表面上形成已经通过第一光学元件的多个光束的图像，作为沿主扫描方向伸长的线图像。

在这样的光学扫描设备中，还优选的是，在主扫描截面包括至少一个非圆形光学表面的光学元件是第一光学元件。

或者，还优选的是，在主扫描截面包括至少一个非圆形光学表面的光学元件是第二光学元件。

此外，在如上所述的光学扫描设备中，优选的是，当光源单元与偏转单元的偏转表面之间的光程长度表示为L(mm)，孔径光阑与偏转单元的偏转表面之间的光程长度表示为M(mm)时，满足下面的表达式：0＜M/L＜0.6。

此外，优选的是，所述多个发光部分包括四个或更多个发光部分，它们在主扫描方向上彼此隔开。

此外，为了实现上述目的，本发明的一方面是一种图像形成设备，包括：上述光学扫描设备；布置在待扫描表面上的感光部件；显影装置，用于利用由光学扫描设备偏转扫描的光束将在感光部件上形成的静电潜像显影为调色剂图像；转印装置，用于将显影的调色剂图像转印到转印材料上；以及定影装置，用于将转印的调色剂图像定影在转印材料上。

或者，本发明的另一方面是一种图像形成设备，包括：上述光学扫描设备；打印机控制器，用于将从外部装置提供的代码数据转换为图像信号，该图像信号被提供给光学扫描设备。

根据本发明，可减少在主扫描方向上的像场弯曲，当从在主扫描方向上彼此隔开的多个发光部分发出的多个光束通过入射光学系统时出现所述像场弯曲。

结果，可减少从在主扫描方向上彼此隔开的多个发光部分发出的多个光束在待扫描表面上的光斑直径变化。

通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1示出根据本发明第一实施例的主扫描截面。

图2示出根据本发明第一实施例的副扫描截面。

图3示出根据本发明第一实施例的入射光学系统的主扫描截面。

图4示出根据本发明第一实施例的入射光学系统的像场弯曲。

图5是根据本发明第一实施例的光源单元的示意图。

图6是根据本发明第一实施例的光源单元和准直透镜的放大示图。

图7示出根据本发明第二实施例的入射光学系统的主扫描截面。

图8示出根据本发明第二实施例的沿入射光学系统的主扫描方向的像场弯曲。

图9示出根据本发明第一实施例的通过准直透镜的光束的位置。

图10示出根据本发明第三实施例的入射光学系统的主扫描截面。

图11示出根据本发明第三实施例的沿入射光学系统的主扫描方向的像场弯曲。

图12是根据本发明第三实施例的光源单元的示意图。

图13是根据本发明的彩色图像形成设备的示意图。

具体实施方式

[第一实施例]

图1是根据本发明第一实施例的主扫描方向的主要部分截面图(主扫描截面图)。图2是根据本发明第一实施例的副扫描方向的主要部分截面图(副扫描截面图)。

应注意，在以下描述中，副扫描方向(Z方向)是与偏转单元的旋转轴平行的方向。主扫描截面是以副扫描方向(与偏转单元的旋转轴平行的方向)为法线的截面。主扫描方向(Y方向)是将由偏转单元的偏转表面偏转扫描的光束投射到主扫描截面的方向。副扫描截面是以主扫描方向为法线的截面。

在附图中，光源单元1包括半导体激光器，其包括多个在主扫描方向和副扫描方向上彼此隔开的发光部分。多射束半导体激光器1的多个发光部分之一沿主扫描方向与准直透镜3的光轴的距离不同于所述多个发光部分中的另一个发光部分到光轴的距离。半导体激光器1包括8射束激光器，其中，如图5所示，8个发光部分以一维方式排列，从而在主扫描方向和副扫描方向上彼此隔开。

第一孔径光阑(副扫描光阑)2限制通过的光束沿副扫描方向的光束宽度，从而对波束形状进行整形。第一光学元件3将从光源单元1发出的光束转换为准直光束，并包括通过模制处理制造的玻璃模制透镜。

用作第一光学元件的准直透镜3具有出射表面，其相应于具有旋转对称的非圆形表面的透镜表面(光学表面)，其中，从透镜光轴向着外围部分，凸(正)焦度下降。

因此，从多个发光部分发出的光束在待扫描表面上的焦点位置变得相同，从而待扫描表面上的多个光束的光斑直径变得相同。此外，从光源单元1发出的发散光束被转换为主扫描截面和副扫描截面中的准直光束。

应注意，准直透镜3的出射表面在此实施例中是主扫描截面中的非圆形表面，但是该结构不应被理解为限制性的。入射表面或者两个表面均可以是主扫描截面中的非圆形表面。

柱面透镜4用作第二光学元件4，其仅沿副扫描方向具有焦度，并且通过模制处理被制造。柱面透镜4的作用为使得已经通过准直透镜3的光束在副扫描截面中形成光偏转装置10的偏转表面10a上的沿主扫描方向伸长的图像。

应注意，准直透镜3和柱面透镜4可由用作一个组合光学元件的变形透镜形成。变形透镜具有以下两种功能：使得沿主扫描方向的焦度和沿副扫描方向的焦度彼此不同的准直功能以及沿副扫描方向在偏转表面上形成图像的功能。

第二孔径光阑(主扫描孔径光阑)5限制进入光偏转装置10的光束沿主扫描方向的光束宽度。

此外，第二孔径光阑5使得来自各个发光部分的光束的主光束在偏转表面10a上彼此靠近，从而减少从沿主扫描方向彼此隔开的多个发光部分发出的多个光束在待扫描表面上沿主扫描方向的抖动量。沿主扫描方向的抖动量指示在待扫描表面上成像的多个光斑中沿主扫描方向的成像位置差。

应注意，第一孔径光阑2、准直透镜3、柱面透镜4和第二孔径光阑5中的每一个构成入射光学系统LA的元件。光偏转装置10包括具有5个面的多面反射镜(旋转多面反射镜)，并通过诸如电动机(未示出)的驱动单元沿附图中箭头A的方向以恒定速度旋转。具有会聚功能和fθ特性的成像光学系统6包括第一成像透镜6a和第二成像透镜6b。

第一成像透镜6a和第二成像透镜6b均包括在主扫描截面中具有非圆形表面形状的变形透镜。成像光学系统6使被光偏转装置10的偏转表面偏转扫描的基于图像信息的光束在作为待扫描表面的感光鼓表面7上形成图像。此外，成像光学系统6具有用于将光偏转装置10的偏转表面10a和感光鼓表面7设置成在副扫描截面中彼此共轭的作为面倾斜补偿光学系统的功能。感光鼓表面7用作待扫描表面。

由第一孔径光阑2就沿副扫描方向的光束宽度对根据图像信息进行光学调制并从光源单元1发出的8个光束1a、1b、1c...进行限制。然后，由准直透镜3将8个光束转换为准直光束，其进入柱面透镜4。已经进入柱面透镜4的光束在它的会聚状态在主扫描截面未被改变的情况下出射，其沿主扫描方向的光束宽度由第二孔径光阑5来限制。

此外，已经进入柱面透镜4的光束在副扫描截面中会聚，其沿主扫描方向的光束宽度由第二孔径光阑5来限制，从而在光偏转装置10的偏转表面10a上形成线图像(沿主扫描方向伸长的线图像)。

然后，被光偏转装置10的偏转表面10a偏转扫描的多个光束中的每一个通过成像光学系统6在感光鼓表面7上形成光斑图像。

此外，当光偏转装置10沿箭头A的方向旋转时，利用由光偏转装置10的偏转表面10a偏转扫描的多个光束的每一个以恒定速度沿箭头B的方向(沿主扫描方向)对感光鼓表面7进行扫描。因此，同时形成多个扫描线以将图像记录在用作记录介质的感光鼓表面7上。

如图2所示，在从光偏转装置10到待扫描表面7的光学路径中布置三个平面反射镜8a、8b和8c。因此，可按照压缩的尺寸来折叠成像光学系统6的光学路径，因此，可缩小整个设备的尺寸。

作为光源单元的半导体激光器1包括8个发光部分，它们如图5所示从主扫描方向以倾斜角α(α＝9.2度)、间距距离50μm沿一维方向排列。

此外，由入射光学系统LA以可围绕平行于光轴的轴旋转的方式来支撑半导体激光器1，从而调整由于半导体激光器1被组装时的安装误差而引起的射束间隔误差。

应注意，图5示出最靠近轴的离轴发光部分1a以及沿主扫描方向最远的离轴发光部分1b和1c。沿主扫描方向以相对于入射光学系统LA的光轴对称的方式来排列发光部分1b和1c。

W(mm)指示光源单元1的多个发光部分中沿主扫描方向最远离光轴的发光部分1b和1c之间的间隔。

应注意，尽管在此实施例中使用的是包括8个发光部分的半导体激光器，但是本发明还可应用于包括两个或更多个发光部分(其在主扫描方向上相对于光轴布置在彼此不同的位置)的其它半导体激光器。

然而，本发明所要解决的问题特别存在于沿主扫描方向从光轴到发光部分具有较大距离的多射束光学扫描设备。

因此，本发明在应用于包括四个或更多个发光部分的多射束光学扫描设备时产生更多的效果，其中，所述四个或更多个发光部分在主扫描方向上相对于光轴布置在彼此不同的位置。

在设计方面，最靠近轴的离轴发光部分1a和沿主扫描方向最远离的离轴发光部分1b和1c在主扫描方向上相对于光轴布置在彼此不同的位置。

因此，当准直器3的透镜表面的形状在主扫描截面中是圆形时，相对于从最靠近轴的离轴发光部分1a发出的光束a以及分别从主扫描方向上最远离的离轴发光部分1b和1c发出的光束b和c，在准直透镜3的透镜表面中出现沿主扫描方向的像场弯曲。应注意，添加光束的标号a、b和c，以在说明书中将从发光部分1a、1b和1c发出的上述光束彼此区分开，标号a、b、c没有显示在附图中。

换言之，在已经通过准直透镜的透镜表面的光束a以及光束b、c之间出现沿主扫描方向的会聚状态差异。

在已经通过准直透镜的透镜表面的准直光束a以及准直光束b和c之间出现沿主扫描方向的平行度差。

结果，在待扫描表面上的光束a以及光束b和c的焦点位置彼此不同，因此，存在待扫描表面上的光束a以及光束b和c的光斑直径彼此不同的问题。

类似地，存在以下问题：在待扫描表面上分别从沿主扫描方向最远离的离轴发光部分1b和1c发出的光束b和光束c的光斑直径由于设计的排列误差而彼此不同，其中，离轴发光部分1b和1c在主扫描方向上相对于入射光学系统LA的光轴以对称方式排列。

根据此实施例用于入射光学系统中的光学参数如表1设置。

在此实施例中，在主扫描截面中，将准直透镜3的出射表面形成为非圆形，其中，正焦度从轴向离轴减小，从而补偿沿主扫描方向在待扫描表面上的像场弯曲。

此外，准直透镜3具有以弱凸焦度(r＝100mm)设置的入射表面，从而在对透镜进行模制方面存在优势。

用于限定准直透镜3的透镜形状的表达式如下。

[公式1]

$X=\frac{h^2/R}{1+\sqrt{1-{(h/R)}^2}}+{\mathrm{Ah}}^2+{\mathrm{Bh}}^4+{\mathrm{Ch}}^6+{\mathrm{Dh}}^8+{\mathrm{Eh}}^{10}+{\mathrm{Fh}}^{12}+{\mathrm{Gh}}^{14}$

$h=\sqrt{Y^2+Z^2}$

[表1]

	r	d	N(670nm)
				光源(发光点)	0.0000	18.7970	0.0000
副扫描孔径光阑		4.0000
				准直透镜	100.0000	3.9800	1.5796
	-16.621＊	75.4800	0.0000
				柱面透镜	0.0000	3.0000	1.5273
	0.0000	33.0000	1.0000
				主扫描孔径光阑		22.5000
偏转表面	0.0000	0.0000	1.0000

^＊非球面

此外，在成像光学系统中，成像透镜与光轴的交点被看作原点。如图1所示，在相对于成像光学系统的光轴的扫描开始侧和扫描结束侧，光轴被看作x轴，在主扫描截面中与光轴垂直的方向被看作Y轴，在副扫描截面中与光轴垂直的方向被看作Z轴。然后，可通过以下的函数来表示成像光学系统。

[公式2]

扫描开始侧

$x=\frac{y^2/R}{1+\sqrt{1-(1+K){(y/R)}^2}}+B_{4s}{y}^4+B_{6s}{y}^6+B_{8s}{y}^8+B_{10s}{y}^{10}\·\·\·\·\·\·\left(a\right)$

[公式3]

扫描结束侧

$x=\frac{y^2/R}{1+\sqrt{1-(1+K){(y/R)}^2}}+B_{4e}{y}^4+B_{6e}{y}^6+B_{8e}{y}^8+B_{10e}{y}^{10}\·\·\·\·\·\·\left(b\right)$

其中，R指示曲率半径，K、B₄、B₆、B₈和B₁₀指示非球面系数。

在此实施例中，相对于光轴对称地形成第一成像透镜6a和第二成像透镜6b在主扫描截面中的形状。

换言之，使得扫描开始侧与扫描结束侧上第一成像透镜6a和第二成像透镜6b的非球面系数相同。

第一成像透镜6a的入射表面和出射表面中的每一个以及第二成像透镜6b的出射表面在主扫描截面中是非圆形表面。

第二成像透镜6b的入射表面在主扫描截面中是圆形表面。

此外，第一成像透镜6a的入射表面R1和出射表面R2的沿副扫描方向的曲率半径是恒定的，而在轴与离轴之间没有变化。

第二成像透镜6b的入射表面R3和出射表面R4的沿副扫描方向的曲率半径以非对称方式在轴与离轴之间变化。

相对于光轴，在扫描开始侧和扫描结束侧上，光轴被看作X轴，在主扫描截面中与光轴垂直的方向被看作Y轴，在副扫描截面中与光轴垂直的方向被看作Z轴。然后，可通过以下连续函数来表示副扫描截面中的形状。

以下的连续函数是限定R1、R2、R3和R4表面沿副扫描方向的形状的函数。

[公式4]

$\begin{array}{cc}S=\frac{z^2/r^{\′}}{1+\sqrt{1-{(z/r^{\′})}^2}}& r^{\′}=r(1+D_{2s}{y}^2+D_{4s}{y}^4+D_{6s}{y}^6+D_{8s}{y}^8+D_{10s}{y}^{10})\end{array}$

[公式5]

$\begin{array}{cc}S=\frac{z^2/r^{\′}}{1+\sqrt{1-{(z/r^{\′})}^2}}& r^{\′}=r(1+D_{2e}{y}^2+D_{4e}{y}^4+D_{6e}{y}^6+D_{8e}{y}^8+D_{10e}{y}^{10})\end{array}$

其中，r′指示沿副扫描方向的曲率半径，D₂，D₄，D₆，D₈和D₁₀指示系数，s指示扫描开始侧的系数的下标，e指示扫描结束侧。

沿副扫描方向的曲率半径相应于与母线正交的截面中的沿主扫描方向的曲率半径。换言之，沿副扫描方向的曲率半径相应于包括透镜表面的母线上的法线的截面中的曲率半径。

成像光学系统在本实施例中包括两个成像透镜，但是该结构不应被解释为限制性的。成像光学系统可包括一个或三个或更多个成像光学元件。

表2示出根据本发明第一实施例的光学扫描设备的值。这里，″E-x″表示″10^-x″。

R1表面是第一成像透镜6a在光偏转装置10侧的入射表面。R2表面是第一成像透镜6a在待扫描表面7侧的出射表面。R3表面是第二成像透镜6b在光偏转装置10侧的入射表面。R4表面是第二成像透镜6b在待扫描表面7侧的出射表面。

以下描述的表2示出在此实施例的成像光学系统中使用的光学参数值。

在该实施例中，光源单元1的多个发光部分中最远离光轴的发光部分1b和发光部分1c沿主扫描方向的发光部分间隔表示为W(mm)。

准直透镜3的入射表面是相对于光轴旋转对称的球形表面。准直透镜3的出射表面是相对于光轴旋转对称的非球面。准直透镜3沿主扫描方向和副扫描方向具有相同的焦距。

此外，从沿主扫描方向最远离光轴的发光部分发出的光束在入射光学系统LA沿副扫描方向的非圆形光学表面中最靠近光源单元1的光学表面上沿主扫描方向的光束宽度表示为D(mm)。

此实施例中的光束宽度D是从沿主扫描方向最远离光轴的发光部分1b发出的光束b在准直透镜3的出射表面上沿主扫描方向的光束宽度，并且它由第二孔径光阑5的孔径宽度来限制。

现参照图9(其示出入射光学系统的主扫描截面(X-Y截面))来描述对从离轴发光部分1b(图5)发出的光束b在准直透镜3中沿主扫描方向的通过位置X的计算。

可按照与离轴发光部分1b类似的方式来计算从离轴发光部分1c(图5)发出的光束c的通过位置，因此，在这里省略光束c的通过位置的计算。

图9所示的每个光学元件由用于图1和图5所示的相同光学元件的相同标号来表示。

图9示出准直透镜3的入瞳位置(主扫描孔径光阑相对于准直透镜3的共轭位置)5a以及后主点3a与前主点3b。

此外，f₁(mm)指示准直透镜3的焦距，La(mm)指示从后主点3a到第二孔径光阑5的光程长度，Lb(mm)指示从前主点3b到入瞳位置5a的光程长度。

已经从光源单元1的离轴发光部分1b发出的光束b的主光线在距离准直透镜3的光轴为x的位置通过准直透镜3，并在第二孔径光阑5与准直透镜3的光轴相交。因此，可通过近轴计算来获得表达式A。

$\frac{1}{\mathrm{Lb}}=\frac{1}{\mathrm{La}}+\frac{1}{f_1}$ ...表达式A

然后，通过根据三角形相似的几何计算来获得表达式B。

$\frac{\mathrm{Lb}}{x}=\frac{\mathrm{Lb}-f_1}{W/2}$ ...表达式B

通过将表达式A代入表达式B来获得表达式C。

$x=\frac{W\×\mathrm{La}}{2f_1}$ ...表达式C

在对于表达式C的推导中，由柱面透镜4的折射影响被忽略，这是因为柱面透镜4是沿主扫描方向不具有焦度的光学元件。

此外，从光源单元1到准直透镜3的前主点的光程长度由于波象差的影响轻微地偏离f，但是这种偏离被忽略。

因此，在本发明中，从后主点3a到第二孔径光阑5的光程长度La被认为近似于从主扫描截面中准直透镜3的非圆形出射表面到第二孔径光阑5的光程长度。

因此，光源单元1的多个发光部分中沿主扫描方向最远离光轴的发光部分1b和1c之间的间隔表示为W(mm)，上述孔径光阑与主扫描截面中入射光学系统LA的非圆形光学表面中最靠近光源单元1的光学表面之间的光程长度表示为La(mm)。

入射光学系统LA沿主扫描方向的焦距表示为f₁(mm)，从沿主扫描方向最远离光轴的发光部分1b和1c发出的光束中的每一个在主扫描截面中入射光学系统LA的非圆形光学表面中最靠近光源单元1的光学表面上沿主扫描方向的光束宽度表示为D(mm)。

在这种情况下，将各个元件设置为满足下面的表达式。

2D≥|W·La/2f₁|≥D/8...(1)

在条件表达式(1)的上限值之上，准直透镜3的外部形状沿主扫描方向增大，其导致入射光学系统的尺寸增加，这是不适当的。

此外，在条件表达式(1)的下限值之下，在准直透镜3的主扫描截面中的非圆形透镜表面上，从最远离准直透镜3的光轴的离轴发光部分1b发出的光束b的主光线远离光轴的量x被减少。

在这种情况下，当在准直透镜3的透镜表面中出现的主扫描截面中的不平行性通过将主扫描截面中准直透镜3的出射表面的形状形成为正焦度从轴向着离轴连续下降的非圆形形状而得以补偿时，无法有效地利用非球面的效果。

理由如下。如公式1所表示的，非球面系数A、B、C......分别是h⁴项、h⁶项、h⁸项的系数，因此，当针对通过远离光轴的位置的光束应用非球面时，能够比针对通过准直透镜3的光轴附近的光束应用非球面时更加有效地利用非球面的效果。

考虑光束远离准直透镜3的光轴的量x来设置h。作为前提条件，考虑针对光学扫描设备中使用的所有光学参数的平衡来确定非球面系数A、B、C...，这有助于待扫描表面上多个光束的光学性能。

因此，非球面系数A、B、C...不能作为仅用于解决本发明问题的设计值被处理。

通常，将多射束光学扫描设备设计成使得通过准直透镜3将已经从排列在准直透镜3的光轴上的虚拟发光部分发出的虚拟光束转换为完全准直光束。

因此，进行设计以使得在准直透镜3的透镜表面中出现的主扫描截面中的不平行性在从准直透镜3的光轴附近的离轴发光部分1a发出的准直光束a中比在从最远离准直透镜3的光轴的离轴发光部分1b发出的准直光束b中要下降。

离轴发光部分1a被布置在准直透镜3的光轴附近，因此，当光束a通过准直透镜3的出射表面时光束a远离光轴的量x被减少，其中，所述准直透镜3的出射表面在主扫描截面被形成为非圆形。

然而，在从离轴发光部分1a发出的光束a的情况下，准直透镜3的透镜表面中出现的主扫描截面中的不平行性小，因此，当通过非球面的效果进行的其补偿量小时不会出现问题。

以下描述条件表达式(1)的技术含义。

通过使条件表达式(1)中的|W·La/2f|值变大，可增加光轴与从最远离准直透镜3的光轴的离轴发光部分1b发出的光束b的主光线之间的间隔量x。

因此，可有效地使用通过将主扫描截面中准直透镜3的出射表面的形状形成为正焦度从轴向离轴连续下降的非圆形形状而产生的非球面的效果。

为了使|W·La/2f₁|的值较大，仅需使|La|和W的值较大，或者使f₁的值较小。

然而，通过待扫描表面上的扫描线间距来限制W的值。

因此，在此实施例中，通过满足″|La|＞2×f₁″，增加光轴与从最远离准直透镜3的光轴的离轴发光部分1b发出的光束b的主光束之间的间隔量x。

在此实施例中，为了增加间隔量x，可适当地设置″|La|＞80mm″。

为了防止入射光学系统的光程长度变大以致增加入射光学系统的尺寸，优选地设置″8×f₁＞|La|″和″200mm＞|La|″。

因此，设置各个元件以满足下面的表达式。

8×f₁＞|La|＞2×f₁...(2)

在此实施例中，优选的是W的值满足″0.25＜W＜1″。

在W的下限值之下，引起从相邻发光部分发出的光束之间的串扰问题。在W的上限值之上，引起以下问题：当达到待扫描表面上的扫面线间距(分辨率)时，光学扫描设备的光学系统具有低的设计自由度。

考虑到沿主扫描方向的待扫描表面上的光斑直径的大小，在此实施例中，优选的是D的值满足″2＜D＜8″。

此外，从光源单元1到光偏转装置10的偏转表面10a的光程长度表示为L(mm)，从第二孔径光阑5到光偏转装置10的偏转表面10a的光程长度表示为M(mm)。这里，到偏转表面的光程长度相应于到如下点的光程长度，当偏转表面扫描待扫描表面上的扫描范围的中心时光束的中心光束在上述点进入偏转表面。

为了减少从沿主扫描方向彼此间隔的多个发光部分发出的多个光束在待扫描表面上沿主扫描方向的抖动量，将各个元件设置为满足下面的条件表达式。

0＜M/L＜0.6...(3)

当M的值较小时，可使得第二孔径光阑5更加靠近光偏转装置10，从而减少沿主扫描方向的抖动量。

优选的是，满足0＜M＜50和100＜L＜300。

此外，优选的是，如下设置条件表达式(1)、(2)和(3)。

D≥|W·La/2f₁|≥D/6...(1a)

|La|＞2.5×f₁...(2a)

0＜M/L＜0.5...(3a)

此外，在此实施例中，作为光源单元的半导体激光器1包括50μm间距的8射束激光器，并相对于主扫描方向倾斜9.2度。按照一维方式沿主扫描方向来对准多个发光部分，从而可增加沿副扫描方向的光学变焦因子。因此，可增加半导体激光器的发光部分间隔。

图3示出入射光学系统从图1所示的光源单元1到光偏转装置10的示意图。在图3中，与图1所示的元件相同的元件由相同的标号来表示。在图5所示的上述8个发光部分(发光部分)中，布置在沿主扫描方向最远离准直透镜3的光轴的位置的发光部分1b位于沿主扫描方向离开0.175mm的位置。

图4示出在准直透镜3中出现的沿主扫描方向和副扫描方向的像场弯曲。

在图4中沿主扫描方向的像场弯曲形状与沿副扫描方向的像场弯曲形状相同。

在图4中，垂直轴表示发光部分沿主扫描方向的位置，水平轴表示准直透镜3的像场弯曲量。坐标位置400(水平轴＝0)指示光轴附近的离轴发光部分1a的焦点位置，坐标位置401(水平轴＝0.17)指示最远的离轴发光部分1b的像场弯曲。

从图4可知，在光轴附近的离轴发光部分1a(图4中的400)和沿主扫描方向最远离的离轴发光部分1b(图4中的401)在水平轴具有不同的坐标。

换言之，来自光轴附近的离轴发光部分1a和最远离的离轴发光部分1b的光束在待扫描表面上将图像形成在沿主扫描方向(X轴方向)的聚焦方向彼此相对移动的位置。

光轴附近的发光部分1a在待扫描表面上沿主扫描方向具有零设计焦点移动，在待扫描表面上沿主扫描方向最远离的离轴发光部分1b的焦点位置被移动了通过以下的表达式表示的ΔM。

ΔM＝|Δmcol|×(f_fΘ/f₁)²

其中，|Δmcol|指示沿入射光学系统LA的主扫描方向发光部分1a与发光部分1b之间的像场弯曲差；

f_fΘ指示主扫描截面中成像光学系统6的焦距；以及

f₁指示准直透镜3的焦距。

此外，如图4所示，此实施例的入射光学系统LA具有以下结构：即使发光部分位于远离光轴0.5mm的位置，像场弯曲也被良好地补偿，即使使用在沿主扫描方向彼此最远离的发光部分之间具有W＝1.0mm间隔的半导体激光器，也可抑制待扫描表面上沿主扫描方向发光部分之间的焦点差。

图6示出在光源单元1附近的准直透镜3的放大示图。在图6中，与图1所示的元件相同的元件由相同的标号来表示。

以基本相同的发散角从图3所示的柱面透镜4发出来自光轴附近的离轴发光部分1a和沿主扫描方向最远离的离轴发光部分1b的光束。这表示从准直透镜3发出的多个光束沿主扫描方向没有像场弯曲。如果准直透镜3沿主扫描方向具有像场弯曲，则出现发散角之间的差。

通常，为了减少像场弯曲，应适当地设置以下值：

(a)Petzval和(透镜焦度)；(b)非球面形状；和(c)发光部分间隔。

在此实施例中，进行如下设置：

f₁＝24.9mm；W＝0.35mm；La＝111.48mm；以及D＝4.0mm。

因此，以下公式成立：

|W·La/2f₁|＝0.35×111.48/2×24.9＝0.78。

这满足上述条件表达式(1)。因此，在此实施例中，可分离通过准直透镜3的光束。因此，可在准直透镜3中设置适当的非球面量。

因此，可抑制光轴附近的离轴发光部分1a与沿主扫描方向最远离的离轴发光部分1b之间的在待扫描表面上沿主扫描方向的焦点差。

此外，在此实施例中，进行如下设置：

La＝111.48mm；f₁＝24.9mm，M＝22.5mm；以及L＝169.8mm。

因此，以下公式成立：

|La|＝111.48mm；2f₁＝49.8mm；以及M/L＝22.5/169.8＝0.133。

这满足上述条件表达式(2)和(3)。

应注意，在此实施例中，当按照1mm来发生在待扫描表面上沿主扫描方向的焦点移动量时，沿主扫描方向的抖动量相当于写入位置不正量ΔY。在这种情况下，如下表示沿主扫描方向的抖动量(写入位置不正量ΔY)。

ΔY＝M×W/(f₁×f_fΘ)...(5)

因此，此实施例的写入位置不正量ΔY具有如下值。

ΔY＝22.5×0.35/(24.9×200)＝1.58μm。

此外，在此实施例中，在主扫描方向的图像写入分辨率是1,200dpi。因此，写入位置不正量ΔY(1.58μm)等于或小于1像素的1/4(21.2μm)，并且不影响图像。

在此实施例中，第一孔径光阑(副扫描孔径光阑)2位于光源单元1与准直透镜3之间，并位于远离准直透镜3的入射表面r1(光源单元侧的表面)4.0mm的位置。这是因为以下目的：将成像光学系统6沿副扫描方向的出瞳位置定位于远离待扫描表面，从而即使待扫描表面沿光轴方向移动，沿副扫描方向的间距距离也不改变。

应注意，在此实施例中，沿副扫描方向的出瞳位置被定位于第二成像透镜6b上，从多个发光部分发出的光束在副扫描截面中在第二成像透镜6b上交叉。因此，各个光束沿副扫描方向的光学性能可容易地彼此一致。

在此实施例中，如下表示在待扫描表面上沿主扫描方向的焦点差ΔM。

ΔM＝0.00003×(200/24.9)²＝0.002mm。

通常，如果沿主扫描方向的焦点差ΔM为2mm或更小，则没有问题。然而，考虑到光学元件的制造误差和装配误差，焦点差ΔM需要优选为1mm或更小，更优选为0.5mm或更小。

[第二实施例]

图7示出根据本发明第二实施例的入射光学系统的主扫描截面。在图7中，与图1所示的元件相同的元件由相同的标号来表示。

第二实施例与第一实施例的不同之处在于：准直透镜13是相对于光轴旋转对称的球形透镜，柱面透镜14的出射表面在主扫描截面中的形状是非圆形的。其它结构和光学动作与第一实施例的相同。

换言之，在图7中，准直透镜13用作第一光学元件，并由可通过研磨制造的玻璃球面透镜形成，该玻璃球面透镜是包括相对于彼此旋转对称的入射表面和出射表面的球面。

用作第二光学元件14的塑料柱面透镜14进行工作，从而已经通过准直透镜3的光束在副扫描截面中在光偏转装置10的偏转表面10a上形成沿主扫描方向伸长的线图像。

柱面透镜14的出射表面在主扫描截面中的形状是非圆形形状，其中，从光轴向外围部分，凸(正)焦度下降。柱面透镜14的入射表面是平面。

在此实施例中，柱面透镜14的出射表面的母线具有为0的r分量(平面)以及四次或更高次的非球面(非圆形)系数。

表3示出此实施例中入射光学系统的值。

[表3]

	r	d	N(670nm)
				光源(发光点)	0.000	18.721	0.0000

	r	d	N(670nm)
				副扫描孔径光阑		4.000
准直透镜	100.000	4.000	1.7670
					-19.099	5.480	0.0000
柱面透镜	0.000	3.000	1.5273
					0.000＊	125.500	1.0000
主扫描孔径光阑		22.500
				偏转表面	0.000	0.000	1.0000

^＊非球面

这里，上述第一实施例中所示的条件表达式(1)和(2)中的距离La相应于第二实施例中从主扫描截面中的柱面透镜14的非圆形出射表面到第二孔径光阑5的光程长度。

此外，在条件表达式(1)中从沿主扫描方向最远离准直透镜3的光轴的发光部分发出的光束的光束宽度D相应于该光束在柱面透镜14的出射表面上沿主扫描方向的光束宽度。

在此实施例中，进行以下设置：

f₁＝24.9mm；W＝0.35mm；La＝128.5mm；以及D＝4.0mm。

因此，以下公式成立：

|W·La/2f₁|＝0.35×128.5/2×24.9＝0.9。

这满足上述条件表达式(1)。

此外，在此实施例中，进行以下设置：

La＝133.98mm；f₁＝24.9mm；M＝22.5mm；以及L＝160.7mm

因此，以下公式成立：

|La|＝133.98mm，2f₁＝49.8mm；以及M/L＝0.14。

这满足上述条件表达式(2)和(3)。

图8示出根据本发明第二实施例的入射光学系统LA的沿主扫描方向的像场弯曲。在图8中，数字800指示轴附近的发光部分1a的近轴图像表面位置，数字801指示最远离的离轴发光部分1b的近轴图像表面位置。此外，类似于第一实施例，光源单元1包括按一维方式排列的8射束激光器。

如图8所知，焦点差Δmcol是0.3μm，可通过以下公式来表示此实施例中待扫描表面7上沿主扫描方向的焦点差ΔM。

ΔM＝|Δmcol|×(f_fΘ/f_col)²

其中，|Δmcol|指示光轴附近的发光部分1a与入射光学系统LA的沿主扫描方向最远离的发光部分1b之间的像场弯曲差；

f_fΘ指示主扫描截面中成像光学系统6的焦距；以及

f_col指示准直透镜13的焦距。

因此，在此实施例中，以下公式成立，从而待扫描表面7上沿主扫描方向的焦点差ΔM被控制为0.5mm或更小：

ΔM＝0.0003×(200/24.9)²＝0.02mm。

应注意，在此实施例中，柱面透镜14具有为0的r分量，但是r分量可以是0以外的值，从而有利于模制。此外，柱面透镜14可在其透镜表面上包括衍射元件。

应注意，在此实施例中，柱面透镜14的出射表面在主扫描截面中是非圆形的，但是这种结构不应被理解为限制性的。入射表面或两个表面可以在主扫描截面中是非圆形的。

[第三实施例]

图10示出根据本发明第三实施例的入射光学系统的主扫描截面。在图10中，与图1所示的元件相同的元件由相同的标号来表示。

表4示出此实施例中入射光学系统的值。

[表4]

	r	d	N(670nm)
				光源(发光点)	0.000	19.261	0.0000
副扫描孔径光阑		4.000
				准直透镜	100.000	3.000	1.5273
	-14.957＊	43.000	0.0000

	r	d	N(670nm)
				柱面透镜	0.000	3.000	1.5273
	0.000	34.000	1.0000
				主扫描孔径光阑		22.500
偏转表面	0.000	0.000	1.0000

^＊非球面

第三实施例与上述第一实施例的不同之处在于：准直透镜73由塑料模制透镜形成，准直透镜73与柱面透镜4之间的距离比第一实施例中有所下降。此外，如图12所示，包括以二维方式排列的64个发光部分的表面发光激光器(VCSEL)被用作光源单元1。其它结构和光学动作与第一实施例的相同，可获得类似的效果。

光源单元11包括具有以二维阵列排列的发光部分的表面发光激光器(VCSEL)。

在此实施例中，进行以下设置：

f₁＝24.9mm；W＝0.35mm；La＝111.48mm；以及D＝4.0mm。

因此，以下公式成立：

|W·La/2f₁|＝1.4×80/2×24.9＝2.2。

类似于第一实施例，这满足上述条件表达式(1)。

此外，进行如下设置：

La＝80.0mm；f₁＝24.9mm，M＝22.5mm；以及L＝106.26mm。

因此，以下公式成立：

|La|＝111.48mm；2f₁＝49.8mm；以及

M/L＝22.5/106.26＝0.14。

类似于第一实施例，这满足上述条件表达式(2)和(3)。

因此，与上述第一实施例相比，第三实施例实现以下两项：入射光学系统的短的光程和在待扫描表面7上沿主扫描方向的抑制的焦点差。

图11示出根据本发明第三实施例入射光学系统LA的沿主扫描方向的像场弯曲。在图11中，数字1100指示轴附近的发光部分1a的近轴图像表面位置，数字1101指示最远离的离轴发光部分1b的近轴图像表面位置。如下所示，将ΔM抑制为等于或小于0.5mm：

Δmcol＝0.9μm；

ΔM＝0.0009×(200/24.9)²＝0.06mm。

应注意，第三实施例中的准直透镜73由塑料制成，因此与第一实施例相比，由于环境改变(诸如温度改变)引起的焦点差变得较大。然而，可通过使用衍射元件或设置焦点调整机构来补偿待扫描表面上的聚焦。

在第一到第三实施例中，尽管准直透镜的数量和柱面透镜的数量均为1，但是它们也可以是多个。

此外，可将具有非圆形形状(其中，在主扫描截面中正焦度从轴向离轴连续下降)的透镜表面设置到准直透镜和柱面透镜的每一个中。

[彩色图像形成设备]

图13是根据本发明实施例的彩色图像形成设备的主要部分截面图。该实施例的彩色图像形成设备是级联型的，其包括并排布置的四个光学扫描设备(光学成像系统)，以同时将图像信息记录在用作图像承载部件的感光鼓的表面上。图13示出彩色图像形成设备60、如第一到第三实施例中的任意实施例所示的那样构造的光学扫描设备61、62、63和64、用作图像承载部件的感光鼓21、22、23和24、显影装置31、32、33和34和传送带51。应注意到，在图13中，设置有：转印装置(未示出)，用于将由显影装置显影的调色剂图像转印到转印材料上；定影装置(未示出)，用于将转印的调色剂图像定影在转印材料上。

在图13中，从诸如个人计算机的外部装置52将红(R)、绿(G)和蓝(B)的各个颜色信号输入彩色图像形成设备60。由彩色图像形成设备中的打印机控制器53将所述颜色信号转换为青(C)、品红(M)、黄(Y)和黑(B)的各个图像数据(点数据)。将各个图像数据输入光学扫描设备61、62、63和64。从光学扫描设备发出根据各个图像数据调制的光束41、42、43和44。沿主扫描方向利用光束扫描感光鼓21、22、23和24的感光表面。

在此实施例的彩色图像形成设备中，并排布置四个光学扫描设备61、62、63和64，每一个对应于青(C)、品红(M)、黄(Y)和黑(B)的相应颜色。光学扫描设备将图像信号(图像信息)同时记录在感光鼓21、22、23和24的表面上，并以高速打印彩色图像。

如上所述，此实施例的彩色图像形成设备使用分别基于图像数据并从四个光学扫描设备61、62、63和64发出的光束在分别与四种颜色相关的感光鼓21、22、23和24的表面上形成四种颜色的潜像。然后，通过多层转印将潜像逐个转印到记录材料上，以形成一个全彩色图像。

外部装置52可以是包括CCD传感器的彩色图像读取装置。在这种情况下，彩色图像读取装置和彩色图像形成设备60构成彩色数字复印机。

尽管参照示例性实施例描述了本发明，但是应理解，本发明并不受限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围将与最宽泛的解释一致，从而包括所有的所述修改以及等同的结构和功能。

Claims (9)

1.一种光学扫描设备，包括：

光源单元，其包括在主扫描方向上彼此隔开的多个发光部分；

偏转单元，用于对从所述多个发光部分发出的多个光束进行偏转扫描；

入射光学系统，用于将从所述多个发光部分发出的多个光束导向偏转单元；以及

成像光学系统，用于在待扫描表面上形成由偏转单元的偏转表面进行偏转扫描的多个光束的图像，其中，

所述入射光学系统包括在主扫描截面包括至少一个非圆形光学表面的光学元件和用于限制进入偏转单元的光束的至少在主扫描方向上的光束宽度的孔径光阑，所述光学元件和孔径光阑从光源单元侧按照上述顺序被布置；

所述光学元件的主扫描截面中的非圆形光学表面具有正焦度从轴上到离轴减少的形状；以及

当所述光源单元的所述多个发光部分中沿主扫描方向最远离光轴的发光部分之间的间隔表示为W(mm)，在主扫描截面中所述孔径光阑与入射光学系统的至少一个非圆形光学表面中最靠近光源单元的光学表面之间的光程长度表示为La(mm)，入射光学系统沿主扫描方向的焦距表示为f₁(mm)，以及从沿主扫描方向最远离光轴的发光部分发出的光束在入射光学系统的主扫描截面中的至少一个非圆形光学表面中最靠近光源单元的光学表面上沿主扫描方向的光束宽度表示为D(mm)时，满足以下表达式：2D≥|W·La/2f₁|≥D/8。

2.如权利要求1所述的光学扫描设备，其中，进一步满足以下表达式：8×f₁＞|La|＞2×f₁。

3.如权利要求1所述的光学扫描设备，其中，所述入射光学系统包括：第一光学元件、第二光学元件和所述孔径光阑，所述第一光学元件、第二光学元件和孔径光阑从光源单元侧按照上述顺序被布置，所述第二光学元件具有沿副扫描方向的焦度，用于在偏转单元的偏转表面上形成已通过第一光学元件的多个光束的图像，作为沿主扫描方向伸长的线图像。

4.如权利要求3所述的光学扫描设备，其中，在主扫描截面中包括至少一个非圆形光学表面的所述光学元件是第一光学元件。

5.如权利要求3所述的光学扫描设备，其中，在主扫描截面中包括至少一个非圆形光学表面的所述光学元件是第二光学元件。

6.如权利要求1所述的光学扫描设备，其中，当所述光源单元与所述偏转单元的偏转表面之间的光程长度表示为L(mm)，所述孔径光阑与所述偏转单元的偏转表面之间的光程长度表示为M(mm)时，满足下面的表达式：0＜M/L＜0.6。

7.如权利要求1到6中的任一权利要求所述的光学扫描设备，其中，所述多个发光部分包括四个或更多个发光部分，它们在主扫描方向上彼此隔开。

8.一种图像形成设备，包括：

如权利要求1所述的光学扫描设备；

布置在待扫描表面上的感光部件；

显影装置，用于利用由所述光学扫描设备偏转扫描的光束将在感光部件上形成的静电潜像显影为调色剂图像；

转印装置，用于将显影的调色剂图像转印到转印材料上；以及

定影装置，用于将转印的调色剂图像定影在转印材料上。

9.一种图像形成设备，包括：

如权利要求1所述的光学扫描设备；

打印机控制器，用于将从外部装置提供的代码数据转换为图像信号，所述图像信号被提供给所述光学扫描设备。

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