CN102012533A - 塑料光学元件、光学扫描装置和成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于光学扫描装置的塑料光学元件，包括：聚焦光线的光线有效部分；以及至少一个连接部分，该连接部分沿着副扫描方向连接所述光线有效部分；所述连接部分形成曲率半径R为2mm或更大的边界弧，并且接触光线有效部分，使得光线有效部分在光线有效部分和边界弧的连接点处的切线匹配边界弧在连接点处的切线。

Description

塑料光学元件、光学扫描装置和成像设备

技术领域

本发明涉及一种塑料光学元件、采用该塑料光学元件的光学扫描装置以及采用该光学扫描装置的成像设备。

背景技术

存在用于多颜色成像设备的光学扫描装置，该成像设备根据图像信息在图像承载元件上形成图像。这种光学扫描装置将从多个激光源发出的多个激光束中的每一条激光束经由偏转器和成像装置导引到图像承载元件上。

近年来，数字光学复印机或者激光打印机被投入市场，以满足对高速形成高品质图像的多颜色成像设备的需求。该数字光学复印机或激光打印机通过用对应于各自感光鼓的光束同时照射沿着输出片材的传送方向排列的四个感光鼓以在其上形成潜像、利用显影装置用黄色、品红色、青色和黑色的不同颜色显影该潜像、并且在将所显影的图像依次转印到输出片材上的同时重叠它们来形成彩色图像。

在这种成像设备中，使用多个扫描装置，用于光学扫描，这需要较大空间来布置多个扫描装置，导致成像设备的尺寸增加。为了应对这个问题，例如，未审公开的日本专利申请公报(以下称为JP-A)第H04-127115-A号描述了一种结构，其中，多个光束在扫描之前经单独一个偏转器穿过成叠层，即以层叠的方式排列的成像透镜。

此外，JP-H10-148777-A描述了一种方法，其中为进入单个偏转器的每条光束提供成像装置，并且在扫描的同时将图像聚焦到相应的图像承载元件上。这种成像装置具有多个光学元件的集成结构，多个光学元件沿着副扫描方向，即：沿纬度方向层叠。由于这种层叠结构，在偏转器之间的间隔所需的空间可以减小，或者结构本身可以构造成单独一个偏转器。这减少了转动偏转器的马达的负担，并且使得尺寸减小成为可能。

对于所安装的成像元件，即，光学元件来说，通过将材料从玻璃改变成塑料并且通过大规模生产，降低了它们的成本。另外，由于引入非球形形式，如纵向非对称形式，也可以减小功能元件的数量。

对于具有单个偏转器的光学扫描装置和面对偏转器布置并且沿着纬度方向叠置的成像元件来说，在成像装置中任何质量上的下降会表现为黄色、品红色、青色和黑色的单个颜色之间的变动，即相对位置偏移。

具体地说，成像元件尺寸精度上的误差，即：在曲率误差分量上的变化性以及在每个图像高度处减去曲率误差分量之后的高频误差分量上的变化性导致单个颜色的光学性能，如光束点直径和扫描位置的变化性(相对位置偏移)。

在每个成像元件中在每个图像高度处沿着副扫描方向的高频误差分量的变化性所伴随而来的在副扫描方向上扫描位置的变化性，即相对位置偏移，对于彩色成像设备来说是致命问题。

在这方面，要指出的是当成像元件由塑料制成时，透镜相位的尺寸精度取决于(1)镜面精加工(mirror-finish)型芯(insert)的加工精度以及(2)模制过程。

同时，当使用典型的镜面精加工型芯时，层叠成像元件所导致的安装不精确造成在扫描位置沿着副扫描方向的变化性，即相对位置偏移，导致上述颜色偏移的致命问题。

随着当前成像设备产生的图像质量的持续提高，在尺寸精度和光学性能，如光束点直径，以及扫描位置相对于定影精度的不利影响尤其显著。

发明内容

由于这些原因，本发明人认识到存在对高度精确塑料光学元件的需求，该光学元件具有改善的光学性能，而不会由改变加工方法或者改变塑料光学元件，即扫描透镜的模具的设计伴随而来成本增高，并且存在对利用这种塑料光学元件的光学扫描装置和成像设备的需求。

于是，本发明的目的是提供一种高精度塑料光学元件，其具有改善的光学性能，而不具有伴随着改变加工方法或者改变塑料光学元件即扫描透镜的模具而来的成本增加，并且提供了一种利用这种塑料光学元件的光学扫描装置和成像设备。

简要的说，如下面所描述的，通过用于光学扫描装置的塑料光学元件，本发明的这个目的和其他目的将变得更容易理解和可以实现，或者是单独的或者是它们的结合，该光学扫描装置包括聚焦光线的光线有效部分和在副扫描方向上连接所述光线有效部分的至少一个连接部分，该连接部分形成边界弧，该边界弧具有2mm或更大的曲率半径，并且接触光线有效部分，使得在光线有效部分与边界弧的接触点处光线有效部分的切线匹配在该接触点处边界弧的切线。

作为本发明的另一方面，提供了一种光学扫描装置，该装置包括光源、偏转从光源发出的光线的偏转器、将偏转器所偏转的光线聚焦的成像光学系统，该成像光学系统包括面对偏转器布置的上述塑料光学元件、以及光线进入系统，该光线进入系统使得成像光学系统所聚焦的光线进入目标。

作为本发明的另一方面，提供了一种成像设备，该成像设备包括：图像承载元件；上述光学扫描装置，该光学扫描装置在光学承载元件上形成静电潜像；显影装置，该显影装置用调色剂显影静电潜像以在图像承载元件上形成调色剂图像；以及转印装置，该转印装置将调色剂图像转印到记录介质上。

本发明的这些和其他目的、特征和优点在结合附图考虑下面本发明优选实施方式的描述时变得更清楚。

附图说明

从下面结合附图的描述中，本发明的各种其他目的、特征和伴随而来的优点将随着它更好地被理解而变得更完全清楚，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的对应元件。

图1是示出典型塑料扫描fθ透镜的透视图的视图；

图2是示出具有凹凸形式的透镜相位的典型塑料扫描fθ透镜以及模具的横截面的视图；

图3是示出具有凹凸形式的透镜相位的典型层叠塑料扫描fθ透镜的横界面以及光学扫描装置的视图；

图4是示出与本发明相关的塑料光学元件的实施方式中具有凹凸形式的透镜相位的集成塑料扫描fθ透镜的透视图；

图5是示出具有凹形式的透镜相位的连续相位的示意图，该透镜相位包括多个光线有效部分；

图6是示出包括多个光线有效部分的凹形式的透镜相位的连续相位的示意图；

图7是示出与本发明相关的塑料光学元件的实施方式中带凹凸形式的透镜相位的集成塑料扫描fθ透镜的横截面；

图8A和8B是示出相对于曲率半径、切削工具(edge tool)和镜面精加工型芯的干涉的视图；

图9是示出与本发明相关的塑料光学元件的后面描述的第一实施方式中，具有凹凸形式的透镜相位的集成塑料扫描fθ透镜以及模具的横截面；

图10是示出与本发明相关的塑料光学元件的后面描述的第二实施方式中，具有凹凸形式的透镜相位的集成塑料扫描fθ透镜以及模具的横截面；

图11A到11F是示出用于在与本发明相关的塑料光学元件的实施例中用于fθ透镜的集成镜面精加工型芯的透视图以及示出形状精度的曲线；

图12是示出与本发明相关的塑料光学元件的后面描述的第三实施方式中，具有凹凸形式的透镜相位的集成塑料扫描长透镜以及模具的横截面；

图13是示出与本发明相关的塑料光学元件的后面描述的第四实施方式中，具有凹凸形式的透镜相位的集成塑料扫描长透镜以及模具的横截面；

图14A和14B是示出在与本发明相关的塑料光学元件的实施方式中用于长透镜的集成镜面精加工型芯的透视图；以及

图15A和15B是示出透镜产品的纵横比的视图。

具体实施方式

本公开内容的随后的实施方式基于试验数据，该试验数据示出当曲率半径过小时，例如，小于2mm时，用于切削加工的切削工具，例如钻头接触或者干涉加工接触点之外的点，导致模具损坏，即镜面精加工型芯损坏的问题。另外，考虑到克服加工阻力的物理强度，不可能改变切削工具的形式来避免这个问题。

根据用于光学扫描装置的本公开内容的实施方式的塑料光学元件的结构，塑料光学元件包括聚焦光线的光线有效部分和在副扫描方向上连接所述光线有效部分的至少一个连接部分，连接部分形成曲率半径R为2mm或更大的边界弧，并且接触光线有效部分，使得在光学有效部分和边界弧的接触点处光线有效部分的切线与边界弧在连接点处的切线相匹配。

为了制造上述结构，镜面状的精加工是可能的，并且另外，在主扫描方向上或者副扫描方向上连续镜面状精加工也是可能的，且镜面精加工型芯具有凸表面形式。另外，对于具有凹表面形式的镜面精加工型芯，通常镜面状精加工是可能的，在主扫描方向上或者在副扫描方向上，连续镜面状精加工也是可能的。

由于在副扫描方向上连续镜面状精加工是可能的，每个光线有效部分的尺寸精度的误差，即，曲率误差分量以及在每个像高度处减去曲率误差所得到的高频误差分量的变化性可以减小。当透镜经历在副扫描方向上连续镜面状精加工处理时，在镜面状精加工过程中，其中一个主要影响因素(历史)，即：诸如环境温度的环境变化几乎在每个像高度处相等。因此，该光线有效部分中，在每个像高度处高频误差分量的变化性可以减小。

结果，在副扫描方向上扫描位置的变化性，即：相对位置偏移减小，导致颜色偏移的发生减少，后者是彩色成像设备的一个主要影响因素。

另外，当具有凹表面形式的镜面精加工型芯用于本实施方式的结构时，在副扫描方向上的外形(figure)，即：围绕边界，即折叠点，的平面尺寸精度得以提高，由此改善成像元件，即塑料光学元件的精度。

在同时，当使用镜面精加工型芯时，由于成像元件层叠，定影精度的变化性降低。结果，在副扫描方向上的扫描位置的变动性，即相对位置偏移减小，这导致颜色偏移得以改善，颜色偏移是彩色成像设备中的一个主要影响因素。

另外，集成扫描透镜具有以下优点：(A)由于空气卷入等而在安装两个或多个镜面精加工型芯时发生的在边界表面处的外观方面的麻烦得以减少；(B)通过缩短冷却时间的循环时间，减少成本；等。

也提供了一种光学扫描装置，该光学扫描装置包括光源、将从光源发出的光线偏转的偏转器、成像光学系统和光线进入系统，其中所述成像光学系统将偏转器偏转的光线聚焦，并包括面对所述偏转器布置的上述塑料光学元件，而所述光线进入系统将所述成像光学系统所聚焦的光线进入目标。

第一实施方式和第二实施方式

塑料光学元件和光学扫描装置

下面参照附图详细描述有关作为形成彩色激光打印机的光学扫描装置的塑料光学元件的塑料扫描透镜的本发明的实施方式。

图1是示出典型塑料扫描fθ透镜1-a的透视图，而图2是示出布置在模具中的塑料扫描透镜1-a的横截面，该模具具有典型的镜面精加工型芯6-a和衬套(bush)5。塑料扫描透镜1-a具有包括光线有效部分2-a的透镜相位3。

另外，箭头4所表示的从图2的底部到顶部的垂直方向是光线穿过方向。

图3是示出具有层叠扫描fθ透镜1-a的光学扫描装置的横截面。

在如图4、5、6和7所示的光学扫描装置的一个实施方式中，光学扫描装置包括光源(未示出)、偏转器7、光进入系统8即反射镜、和塑料扫描透镜1-b，该塑料扫描透镜1-b布置成面对偏转器7。塑料扫描透镜1-b具有多个光线有效部分2-a和2-b，它们通过边界弧彼此连接，该边界弧即为连接部分，具有2mm或更大的曲率半径R。此外，光线有效部分在它与边界弧的连接点处的切线与边界弧，即连接部分在该处的切线相匹配。

在这个实施方式中，对应于黄色、品红色、青色和黑色每种颜色的四个感光体9设置为光线从光线进入系统所进入的目标。另外，扫描透镜1-b、偏转器7和一些反射镜8设置在壳体10上。

光线有效部分表示这样的区域，即：在光学设计中光束经该区域穿过，并且在光学布局方面对应于塑料光学元件的质量保证区域。

下面作为特别实施例描述利用图4所示的集成塑料扫描fθ透镜的实施方式，即第一实施方式和第二实施方式。

另外，图7是示出具有扫描透镜1-b的光学扫描装置的横截面。与典型光学扫描装置中相同的部分的描述被省略。此外，对于形成塑料扫描透镜的材料，对它们没有特别限制，而是可以使用任何公知的典型使用的塑料。

如图5和6所示，这些实施方式具有光线有效部分2-a和2-b，且光线有效部分2-a和2-b通过弧，即连接部分相连接，即连结，该连接部分的曲率半径R为2mm或更大。另外，在相应的连接点A或B处光线有效部分2-a或2-b的切线匹配于在相应连接点A或B处所述弧的切线。即，光线有效部分2-a在连接点A处的切线与所述弧在连接点A处的切线相同，而光线有效部分2-b在连接点B处的切线与所述弧在连接点B处的切线相同。

因此，每个连接点A和B在副扫描方向上连续连接。

换句话说，在垂直于光学扫描装置的主扫描方向并且平行于副扫描方向的平面上，光线有效部分2-a和2-b在副扫描方向上经由连接(连结)部分相连接。连接部分形成边界线，即图5或6中虚线曲线，该边界线由曲率半径R为2mm或更大的弧形成。边界线在其两端与光线有效部分2-a和2-b连接，并且在边界线每端处的切线匹配相应光线有效部分2-a和2-b的切线。

在图5所示的第一实施方式中，形成光线有效部分2-a和2-b的透镜平面是凸起的，且在图6所示的第二实施方式中，形成光线有效部分2-a和2-b的透镜平面是凹陷的。

另外，图5或6的垂直轴表示塑料扫描透镜的深度，即厚度方向，且与塑料扫描透镜设置在光学扫描装置中时的光线穿过方向相匹配。

模具

图8是说明曲率半径R和连接部分之间的关系的曲线。

该实施方式基于试验数据，表明当曲率半径过小时，例如小于2mm时，在切削加工中的切削工具或者钻头接触或者干涉加工接触点之外的点，导致模具，即镜面精加工型芯损坏的问题。另外，考虑到克服加工阻力的物理强度，不可能改变切削刀锯的形式来避免这个问题。

此外，典型上使用的切削刀具，即夹具或钻头相对于它们的尺寸进行调整。难于制造与典型尺寸不同尺寸的钻头，这也导致成本增加。

为了避免这个成本增加，使用典型刀具，但是在曲率半径小于2mm时，镜面精加工型芯和钻头在两个点处彼此干涉(即，接触)，如图8A所示，导致镜面精加工钻头损坏。这个干涉对于图8B所示的结构并不发生。

在扫描fθ透镜1-b中，在模制这个透镜中使用的模具如图9或10所示。

如在扫描fθ透镜的情况，对应于光线有效部分2-a和2-b的集成镜面精加工型芯6-b的平面与曲率半径R为2mm或更大的弧相连接，在连接点处，光线有效部分2-a和2-b在连接点A或B的侧端的切线匹配弧在连接点A或B的侧端的切线。

图11是示出这个模具所模制的扫描fθ透镜的示意性外观的示意图以及与典型实施例一起示出尺寸精度的变动性的曲线。

对于彩色成像设备，穿过扫描透镜的顶部或底部，即光线有效部分1或2的光束对应于两种颜色，例如黄色和品红色。

在这种情况下，光线有效部分1或2的质量上的任何损失导致光学性能，例如光束直径的变化性，由此导致颜色中的变动性，例如不均匀密度，导致缺陷程度增加。随着这个损失可以通过调整每个扫描透镜的写入单元来补偿，但是由于这个补偿会造成成本增加。从图11E和11F中所示的对比可以看出，通过图11F所示的连续镜面状精加工所形成的光线有效部分1和2的质量上的损失小于通过图11E所示的非连续镜面状精加工所形成的光线有效部分1和2的质量上的损失。

在图9和10中，该实施方式优选地包括衬套5。

如上所述，当镜面精加工型芯6-b具有凸表面形式时，透镜可以不仅经受镜面状精加工，而且也经受在主扫描方向上以及副扫描方向上的连续镜面状精加工。另外，当镜面精加工型芯具有凹表面形式时，透镜可以经受在主扫描方向上和副扫描方向上的连续镜面状精加工。

由于连续镜面状精加工在主扫描方向和副扫描方向上都是可能的，可以减小每个光线有效部分的尺寸精度的误差，即：曲率误差分量和在每个像高度处减去曲率误差后得到的高频误差分量的变化性。当透镜经历连续镜面状精加工处理，尤其在副扫描方向上，在镜面状精加工的过程中在历史中的主要影响因素之一，即环境变化，如环境温度变化在每个像高度处几乎相等。因此，在光线有效部分2-a和2-b中，在每个像高度处且在副扫描方向上高频误差分量的变化性可以被减小。

结果，扫描位置的变化性，即：在副扫描方向上的相对位置偏移减小，导致颜色偏移的发生减少，后者是彩色成像设备的一个主要影响因素。

另外，当镜面精加工型芯的形式是凹陷的时，通过采用上述实施方式的结构，在副扫描方向上，围绕边界的形状，即，折叠点得以改善，这导致成像元件，即塑料光学元件1-b的精度提高。

同时，当镜面精加工型芯6-b被使用时，通过层叠成像元件，定影精度的变动性被减小。于是，沿着副扫描方向的扫描位置的变动性被减小，这导致对于彩色成像设备的每种颜色的颜色偏移的关键问题得以改善。

另外，扫描透镜的集成具有如下优点：(1)减少在安装两个或多个镜面精加工型芯时发生的由于空气卷入而带来的边界面外观方面的麻烦；(2)通过缩短循环时间，即，冷却时间等来节省成本。

第三实施方式

下面描述利用集成塑料扫描fθ和长透镜的其他实施方式(第三和第四实施方式)。

如图5和6所示，在副扫描方向上具有光线有效部分2-a和2-b，且光线有效部分2-a和2-b由曲率半径R为2mm或更大的弧连接。另外，光线有效部分2-a或2-b在连接点A或B处的端部的切线匹配在连接点A或B处的弧端部的切线。

在扫描长透镜中，用于模制这个透镜的模具如图12或13所示构造。附图标记11表示塑料扫描长透镜。

如在上述扫描透镜(长透镜)中的情况，对应于光线有效部分2-a和2-b的集成镜面精加工型芯6-b的平面与曲率半径R为2mm或更大的弧相连接，且光线有效部分2-a或2-b的端部在连接点A或B处的切线分别匹配在连接点A或B处弧端部的切线(参照图14)。

在模具中被模制产品的温度在刚刚模制完之后，在中心部分最高，且热传递速度是恒定的。因此，模具内在中心与形成产品的其他表面(即，空腔表面)之间具有较短长度的相位的温度比其他相位降低得快，因此，热收缩不均匀进行。在图12和13的情况下，其中纵横比b/a小于1，如图15A所示，b所指示的方向比a所指示的方向冷却快，且在图9和10所示的第一实施方式中，其中，纵横比b/a大于1，如图15B所示，反之亦然。

当纵横比小于1时，实际功能透镜相位冷却更快，使得当熔融的树脂注入到模具中随后被冷却时，通过热收缩，外部形状部分与模具表面分离，导致在所获得的产品的表面中形成凹陷部分。

这些实施方式具有相同的效果，即无论纵横比b/a如何，都避免这个现象。

对长透镜没有特别限制，除了上述方面之外，任何已知的典型使用的结构都可以用。

如上所述，光学元件通过集成镜面精加工型芯制造，这使得不必重复初始设置就可以实现连续加工。由于初始设置重复，影响加工精度的因素，如(1)环境变化(2)镜面精加工型芯的组装误差的程度被减轻，结果，光线有效部分1和2的变动性被减小。

对于彩色成像设备来说，穿过扫描透镜的顶部或底部，即：光线有效部分1或2的光束对应于两种颜色(例如，黄色和品红色)。

在光线有效部分1或2的质量上的任何损失都会导致光学性能，例如光束直径的变动性，由此导致各颜色之间的变动性，如不均匀密度，导致缺陷等级增加。虽然这种损失可以通过调节用于每个扫描透镜的写入单元来补偿，但是由于补偿带来成本增高。没有这种调节，各颜色之间的变动性发生，导致缺陷等级增加。

上述实施方式仅具有一个连接(连结)部分和两个光线有效部分，但是可以具有三个或多个光线有效部分，对应于相应数量的连结部分。

成像设备

下面描述包括上述光学扫描装置的成像设备的实施方式。

作为成像设备，对其没有特别限制，可以使用包括光学扫描系统的任何已知的设备，如采用激光系统的数字复印机、激光打印机和传真机。

成像设备的一个实施方式是打印机，其具有：供纸盒，记录介质从供纸盒由传送带所传送；图像承载元件，其承载潜像；充电装置(充电器)，其给图像承载元件充电；光学扫描单元，其扫描图像承载元件的表面以形成潜像承载元件；显影装置，其用调色剂显影潜像以获得调色剂图像；转印装置，其包括转印充电器，该转印充电器将调色剂图像直接或者经由中间转印体转印到记录介质上；清洁装置，该清洁装置清洁图像承载元件的表面；定影装置，其将调色剂图像定影在记录介质上；等等。在彩色打印机的情况下，这种彩色打印机可以具有串列系统，其中用于黄色(Y)、品红色(M)、青色(C)和黑色(K)中每种颜色的四个图像承载元件以其间相同的间隔布置，同时具有相同的直径。另外，围绕每个图像承载元件，设置了相同的静电照相处理元件，它们是充电器、光学扫描单元、显影装置、转印充电器、清洁装置等。围绕传送带，相对于记录介质的传送方向在图像承载元件的上游侧设置配准辊和带充电器。在下游侧上设置带分离充电器、放电充电器(discharging charger)和清洁装置。

在这种成像设备中，静电潜像通过光学扫描单元形成在图像承载元件上，并且用每种颜色的调色剂在每个图像承载元件显影，以获得调色剂图像。此后，调色剂图像依次转印到记录介质上并且在该处重叠，以形成全彩色图像，随之在定影装置定影，并且由排出辊排出。

此后，提供了高精度光学装置，其具有提高的光学性能，而不会由于改变加工方法或者改变塑料光学元件，即扫描透镜，的模具而带来成本增加，并且提供了光学扫描装置和利用这种光学扫描装置的成像设备。

这个文件要求2009年9月8日提交的日本专利申请2009-206684号的优先权并且包含与2009年9月8日提交的日本专利申请2009-206684号相关的主题，它的整个内容通过引用结合于此。

已经全面描述了本发明，在不背离在此描述的发明的精髓和范围的前提下，可以对其作出各种变化和改进，这是本领域技术人员可以理解到的。

Claims (3)

1.一种塑料光学元件，用于光学扫描装置中，包括：

聚焦光线的光线有效部分；以及

至少一个连接部分，该连接部分沿着副扫描方向连接所述光线有效部分；

所述连接部分包括曲率半径R为2mm或更大的边界弧，并且接触光线有效部分，使得光线有效部分在光线有效部分和边界弧的连接点处的切线匹配边界弧在该连接点处的切线。

2.一种光学扫描装置，包括：

光源；

偏转器，该偏转器偏转光源发出的光线；

成像光学系统，该成像光学系统聚焦所述偏转器偏转的光线，所述成像光学系统包括如权利要求1所述的塑料光学元件，该塑料光学元件布置成面对所述偏转器；以及

光线进入系统，该光线进入系统使得所述成像光学系统聚焦的光线进入到目标中。

3.一种成像设备，包括：

图像承载元件；

如权利要求2所述的光学扫描装置，该光学扫描装置在所述图像承载元件上形成静电潜像；

显影装置，该显影装置用调色剂显影所述静电潜像，以在所述图像承载元件上形成调色剂图像；以及

转印装置，该转印装置将调色剂图像转印到记录介质上。

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