CN103308163A - 光谱仪、包含该光谱仪的图像评价单元和图像形成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光谱仪，包括用于将光束投射至目标物的光源，用于分散被目标物反射的光束且包括用于衍射光束的衍射元件的光谱元件，以及用于按像素接收被光谱元件分散的、彼此具有不同光谱特性的光束的光接收元件，其中所述衍射元件和光接收元件一体形成。

Description

光谱仪、包含该光谱仪的图像评价单元和图像形成装置
技术领域
本发明涉及一种测量波长光谱的光谱仪、以及包含该光谱仪的图像评价单元和图像形成装置。
背景技术
例如，公开号为2008-256594的日本专利申请披露了一种光谱仪，其通过第一透镜阵列、具有孔径的光阑、第二透镜阵列、衍射光栅、以及第三透镜阵列将被目标物反射的光束引导至光接收元件，以测量反射光束的波长光谱。
这种光谱仪面对的问题在于随着时间或者因为振动(oscillation)或温度的改变，由衍射光栅形成的衍射图像在光接收元件上的入射位置发生移动。鉴于此，无法精确、稳定地测量被目标物反射的光束的波长光谱。
发明内容
本发明旨在提供一种被配置为能够精确、稳定地测量被目标物反射的光束的波长光谱的光谱仪。
根据本发明的一方面，一种光谱仪包括将光束投射至目标物的光源，用于分散被目标物反射的光束且包括衍射光束的衍射元件的光谱元件，以及用于以像素接收被光谱元件分散的、彼此具有不同光谱特性的光束的光接收元件，其中，衍射元件和光接收元件一体形成。
附图说明
参考说明书附图，通过下面详细的描述，本发明的特征、实施例及优点将更加明显：
图1以实例示意性地示出根据本发明第一实施例的图像形成装置的结构；
图2示出图1中的图像形成装置的光学扫描器；
图3A，3B示出图2中的光学扫描器；
图4示出图2中的光学扫描器；
图5示出图像质量检测器的结构；
图6A，6B示出光源单元的结构；
图7A，7B示出光谱单元的结构；
图8示出光谱传感器的结构；
图9A示出线性传感器的结构，而图9B示出衍射元件和线性传感器之间的相对位置；
图10示出衍射元件的光谱波长；
图11示出衍射元件上不均匀度方向和串扰；
图12示出光谱传感器之间的串扰；
图13A，13B示出衍射元件上不均匀度方向的倾斜；
图14示出衍射图像的对准；
图15示出解析的串扰；
图16A至16D示出根据第一实施例的光谱单元的组装过程；
图17示出光谱单元的组装过程；
图18示出根据第二实施例的光谱单元；
图19A至19C示出根据第二实施例的光谱单元的组装过程；
图20示出衍射图像的长度j；以及
图21以实例示出图像评价单元的结构的一个例子。
具体实施方式
下文，参考附图1-17来详细地描述本发明的一个实施例。只要有可能，附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的元件。
第一实施例
图1以实例示意性地示出根据一个实施例的图像形成装置2000的结构。图像形成装置2000为串联式(tandem type)全色彩图像形成装置，包括光学扫描器2010、四个感光鼓2030a-2030d、四个清洁单元2031a-2031d、四个充电单元2032a-2032d、四个显影辊2033a-2033d、四个调色剂盒2034a-2034d、转印带2040、转印辊2042、定影单元2050、供纸辊2054、阻挡辊对(resist roller pair)2056、排出辊2058、纸盘2060、排出托盘2070、通信控制器2080、图像质量检测器2245、未示出的湿热传感器、以及一控制上述元件的控制器2090。
这里注意到，在XYZ三维正交坐标系中，感光鼓的轴向被定义为X轴，感光鼓排列的方向被定义为Z轴。
通信控制器2080通过网络控制与诸如个人电脑的更高级的装置的双向通信。
控制器2090包括CPU、其中存储有可被CPU解码的程序及该程序中使用的多种数据的ROM、作为工作存储器的RAM、以及AD转换器。控制器通过通信控制器2080从更高级的装置中接收多个颜色(黑色，青色，洋红色，黄色)的图像数据，并且将这些数据传输至光学扫描器2010。
湿热传感器检测图像形成装置2000内部的温度和湿度，并将其传输至控制器2090。
感光鼓2030a、充电单元2032a、显影辊2033a、调色剂盒2034a及清洁单元2031a组成了形成黑色图像的K站。
感光鼓2030b、充电单元2032b、显影辊2033b、调色剂盒2034b及清洁单元2031b组成了形成青色图像的C站。
感光鼓2030c、充电单元2032c、显影辊2033c、调色剂盒2034c及清洁单元2031c组成了形成洋红色图像的M站。
感光鼓2030d、充电单元2032d、显影辊2033d、调色剂盒2034d及清洁单元2031d组成了形成黄色图像的Y站。
感光层形成在每个感光鼓的表面上，并被光束扫描。未示出的旋转机构使每个感光鼓沿图1中箭头所示的方向旋转。
充电单元均匀地充电各个感光鼓的表面。
光束扫描器2010根据来自控制器2090的多颜色图像数据向各个感光鼓投射用于四种颜色的调制光束。被光束照射的感光鼓表面部分的电荷消失，在其上形成了依据图像数据的潜像。随着感光鼓的旋转，该潜像移动至显影单元。
调色剂盒2034a-2034d包括黑色、青色、洋红色、黄色调色剂，并将这些调色剂分别供应至显影辊2033a-2033d。
显影辊被来自相应调色剂盒中的调色剂均匀地覆盖。显影辊的功能在于通过将调色剂附着到感光鼓的表面上以使得潜像显现，从而形成调色剂图像。随着感光鼓的旋转，调色剂图像转印至转印带2040。
四个彩色调色剂图像在特定时刻(at certain timing)转印并且依次叠加在转印带2040上，从而形成彩色图像。
纸盘2060包括纸张。靠近纸盘2060的供纸辊2054从纸盘2060中一个接一个地抽取纸张，送至阻挡辊对2056。阻挡辊对2056以特定时刻将这些纸张传输到转印带2040和转印辊2042之间的间隙中。因此，彩色图像被成转印带2040转印至纸张上，并且纸张随后被送至定影单元2050。
定影单元2050对纸张加热和加压并将纸张上的调色剂定影。随后，纸张通过排出辊2058送到排出托盘2070，并累积。
清洁单元从各个感光鼓表面上移除剩余的调色剂。随后，感光鼓返回至面对各个充电单元的位置。
图像质量检测器2245设置在定影单元2050之后的纸张传载路径附近，以检测纸张上图像的质量。检测结果被传输到控制器2090。
接下来，描述光学扫描器2010的结构。参考图2-4，以示例的方式，光学扫描器2010包括四个光源2200a-2200d、四个耦合透镜2201a-2201d、四个光学片2202a-2202d、四个柱状透镜2204a-2204d、光学偏转器2104、四个扫描透镜2105a-2105d、六个回射镜2106a-2106d，2108b-2108c、以及未示出的扫描控制器。
光源2200a、耦合透镜2201a、光学片2202a、柱状透镜2204a、扫描透镜2105a及回射镜2106a用于在感光鼓2030a上形成潜像。
光源2200b、耦合透镜2201b、光学片2202b、柱状透镜2204b、扫描透镜2105b及回射镜2106b用于在感光鼓2030b上形成潜像。
光源2200c、耦合透镜2201c、光学片2202c、柱状透镜2204c、扫描透镜2105c及回射镜2106c用于在感光鼓2030c上形成潜像。
光源2200d、耦合透镜2201d、光学片2202d、柱状透镜2204d、扫描透镜2105d及回射镜2106d用于在感光鼓2030d上形成潜像。
耦合透镜放置在来自各光源的光束的路径上，以将这些光束转换为平行光束。每个光学片包括孔径以调节来自耦合透镜的光束的形状。柱状透镜将穿过光学片的孔径的光束沿Y轴成像至光学偏转器2104的反射面附近。
光学偏转器2104具有双台多边形反射镜，每个反射镜具有四个反射面。底台多边形反射镜反射来自柱状透镜2204a和2204d的光束，而上台多边形反射镜反射来自柱状透镜2204b和2204c的光束。双台多边形反射镜以彼此相移45度旋转，并且交替地扫描光束。
通过扫描透镜2105a和回射镜2106a，来自柱状透镜2204a且被光学反射镜2104反射的光束照射感光鼓2030a，从而在其上形成光学点。通过光学偏转器2104的旋转，这些光学点沿着感光鼓2030a的长度移动。
类似的，通过扫描透镜2105b和两个回射镜2106b，2108b，来自柱状透镜2204b且被光学反射镜2104反射的光束照射感光鼓2030b，从而在其上形成光学点。通过光学偏转器2104的旋转，这些光学点沿着感光鼓2030b的长度移动。
通过扫描透镜2105c和两个回射镜2106c，2108c，来自柱状透镜2204c且被光学反射镜2104反射的光束照射感光鼓2030c，从而在其上形成光学点。通过光学偏转器2104的旋转，这些光学点沿着感光鼓2030c的长度移动。
通过扫描透镜2105d和回射镜2106d，来自柱状透镜2204d且被光学反射镜2104反射的光束照射感光鼓2030d，从而在其上形成光学点。通过光学偏转器2104的旋转，这些光学点沿着感光鼓2030d的长度移动。
光学点在感光鼓上移动的方向为主扫描方向，感光鼓旋转的方向为副扫描方向。
位于光学偏转器2104和每个感光鼓之间的光路上的光学系统被称为扫描光学系统。
图5示出图像质量检测器2245的实例。其包括光谱仪10和处理器20。调色剂图像定影在纸张P的表面上(+Z侧)。
光谱仪10位于纸张P的+Z侧，并且包括光源单元11、作为成像元件的成像系统14、以及光谱单元15。
光谱仪10的工作原理如下所述。首先，纸张P的表面被来自光源单元11的光束照射。被纸张P反射的光束入射在成像系统14上。由成像系统14形成的图像被分散并被光谱单元15接收。
以下描述光谱仪10的元件。光源单元11设置在-Y侧，与成像系统14和光谱单元15隔开。光源单元11例如包括LED阵列11a和准直透镜阵列11b，如附图6A，6B所示。
LED阵列11a包括沿X轴设置的发光器件(LED)。每个LED发射强度在几乎全部可见光范围内的白光，并且被控制器20控制开和闭。
可以使用作为冷阴极管的荧光灯或其它灯来代替LED阵列。优选地，光源发射的光线在光谱分析所需的波长范围内，并且能够均匀地照明整个目标区域。
准直透镜阵列11b包括与LEDs相关联的准直透镜。它们布置在来自LED的光路上，分别将白光转换为照射纸张P表面的平行光。也即，光源单元11投射长度方向沿着X轴的线性光束。
来自光源单元11的白光被设置为以一定的角度(例如45度)入射在图6B中YZ平面的纸张P上。这里，被纸张P的表面散射的光线被称为反射光束。
参见附图5，成像系统14位于纸张P的+Z侧，例如由两个聚光透镜组成以允许入射光会聚在光谱单元15的入射表面上。
成像系统14例如具有像方远心光学特性。远心光学特性是光轴和主光线被认为在透镜的一侧是平行的。在远心光学系统中，主光线仅在像平面上与光轴平行。因而，来自成像系统14的光的主光线大致与光轴或Z轴平行。
图7A是光谱单元15的俯视图，图7B是沿图7A中A-A线的光谱单元的截面图。图7A，7B中的光谱单元15包括具有孔径的光学元件13、作为成像元件的微透镜阵列18、衍射元件17、作为光接收单元的线性传感器16、一对垫片19a，19b以及结合元件23。光学元件13、微透镜阵列18以及衍射元件17构成光谱元件。
光学元件13设置在通过成像系统14的反射光束的路径上，以示例的方式，其包括由均匀厚度的光学玻璃制成的透明基板13a和附着在透明基板13a的-Z侧的光学片13b。光学片13b的-Z侧表面是光学单元13和光谱单元15的入射面。例如，在光学片13b上沿X轴以一定的间隔形成三个孔径。
在来自成像系统14的反射光束中，仅有入射在光学片13b的孔径上的光线进入透明基板13a，并且在其中+Z方向上被散射。沿X轴的两个相邻孔径的中心之间的距离被称为孔径间距。
孔径可以是小孔或狭缝，且形状可以为除圆形之外的矩形或椭圆形或其他形状。光学元件13可以为具有孔径的黑化的金属板、或涂覆有一定形状的诸如铬、含碳树脂的黑材料的玻璃板。
微透镜阵列18例如包括三个微透镜18a。微透镜18a依据相应孔径的位置安装在光学元件13的出射表面上或透明基板13a的+Z侧表面上。即，它们位于已经穿过相应孔径的反射光束的路径上。透明基板13a的厚度被设置为穿过孔径的光束可入射在微透镜18a上。每个微透镜18a的光轴平行于Z轴。
光束在透明基板13a内扩散地传播，入射在相应微透镜18a上并被会聚。沿X轴的两个相邻微透镜的中心之间的距离被称为透镜间距。
衍射元件17借由一对垫片19a，19b固定在微透镜阵列18+Z侧的光学元件13的透明基板13a上。其设置在通过微透镜阵列18的光束的路径上，由入射(-Z侧)表面上形成有锯齿光栅的光学玻璃制成。两个相邻锯齿的中心之间的距离被称为光栅间距。
衍射元件17的衍射角θm由下式表示：
Sinθm＝mλ/p+sina
其中，p是光栅间距，a是衍射元件17上反射光束的入射角，λ是反射光束中包含的光的波长。具有波长λ的光束以角度θm衍射。
锯齿光栅可以增加+1st级衍射图像的光强。光栅的非均匀度可以是阶跃的。
由衍射元件17衍射的光束根据波长在不同的方向上传播。即，反射光束基于波长被衍射元件17衍射。
例如，线性传感器16固定在作为陶瓷开口箱的封装体21的内部底面上。封装体21与衍射元件17通过结合元件23结合在一起，从而孔径侧面对-Z轴。线性传感器16位于封装体21内、+1st级衍射光线的图像(下文中，+1st级衍射图像)形成的位置上，并例如包括沿图9A中的X轴布置的作为光接收区域的六个像素16a。依据光接收量，每个像素输出信号至处理器20。两个相邻像素中心之间的距离被称为像素间距。
举例来说，如果线性传感器的像素间距d为10μm，衍射元件17的光栅间距p为10μm，且图9B中衍射元件17的光栅和线性传感器16之间的距离L为2mm，已经穿过光学元件13的一个孔径的反射光束根据波长在六个像素16a处被接收，如附图8以示例的方式所示出的。因而，六个像素构成一个光谱传感器。
即，线性传感器16是图10中分别接收透射过不同孔径的衍射图像的光谱传感器的集合。图10以实例示出三个光谱传感器，然而，本发明并不限于此。在一个线性传感器中可提供多个光谱传感器。例如，使用具有1024个像素的线性传感器，可配置102个光谱传感器。
下文中，被一个像素接收的光束的波长范围被称为谱带，将+1st级衍射图像分散为不同的谱带被称为多带光谱仪。波长和光强或反射光束的反射率之间的关系被称为反射光束波长光谱。
如图11所示，衍射元件17上非均匀度的方向平行于X轴。存在这样的情况：0th和±2nd级散射光束和穿过相邻孔径的反射光束的散射光束在线性传感器16上叠加，且产生如图12所示的相邻光谱传感器之间的串扰。这阻碍了精确的光谱分析。
鉴于此，如图13A所示，在本实施例中，衍射元件17绕平行于Z轴的轴旋转以相对于X轴成30-45度地倾斜锯齿的非均匀度，其中线性传感器16的像素16a沿X轴对准。因而，每个光谱传感器可仅接收+1st级衍射图像。可选地，可使用图13B中具有相对于侧边倾斜的非均匀度的衍射元件。图14、15示出当非均匀度的方向相对于X轴倾斜约10度时，线性传感器16和各个衍射图像之间的相对位置。在图14中，线性传感器仅接收+1st级衍射图像，而不接收不需要的衍射图像，如-1st，0th和+2nd级衍射图像。同样地，所有的+1st级衍射图像都在光谱传感器的区域上。通过调节各个元件，也可配置为接收-1st和+2nd级衍射图像来替代+1st级衍射图像。
在多带光谱仪中，谱带的数量越多，获得的反射光束的波长光谱就越精确。然而，线性传感器的像素数量是不变的，因此，随着谱带数量的增加，用于一个光谱传感器的像素数量也增加，而减少了光谱传感器的数量和测量点的数量。
鉴于此，在该实施例中，谱带的数量被限定为最小值，并且处理器20被配置为通过维纳滤波(Wiener filtering)来估计反射光束的波长光谱。可以利用多种方法来估计反射光束的波长光谱，例如，由东京大学出版社出版的“Analysis andEvaluation of Digital Color Images”第154-157页中所披露的。
控制器2090被配置为在如下情况进行图像处理控制：当通电时，1)感光鼓停止超过6小时，2)装置的内部温度变化10度或更多，或者3)装置的相对湿度变化50％或更多，以及在打印期间，4)打印数量达到预定值，5)显影辊的旋转数目达到预定值，或者6)转印带的运转距离达到预定值。
根据图像分辨率且在用于图像处理控制的良好时机时，控制器2090指示处理器20来进行光谱分析。
控制器2090基于处理器20的计算结果来获取用于每个测量位置的颜色信息。颜色上的波长光谱数据存储在控制器2090的内存中。
在检测一张纸张上的颜色变化或非均匀度时，控制器2090控制来自光学扫描器2010的光源的光量。在检测两张以上纸张上的颜色变化时，其控制显影偏置、定影温度以及在每次扫描中来自光源的光量中的至少任一项。
同时，由于光学元件、微透镜阵列、衍射元件及线性传感器之间的相对位置随时间、或由于振动或温度的改变而发生偏移，衍射图像和线性传感器之间的相对位置也发生偏移，影响了光谱分析的精确性。为了足够精确地获取光谱特性，这些元件之间的相对位置需要是稳定的，在400-700nm的波长带宽中的可见光的范围内的波长方向上的变化在几个nm之内。例如，为了用六个像素来获取光谱特性，沿像素的排列方向需要像素宽度的几十分之一的稳定性。
特别地，采用蓝光LED以透射白光光束的LED光源明显地影响了光谱精确度。与作为人眼的光谱敏感特性的颜色匹配函数的三色值相比，来自蓝光LED的光线的波长带宽较窄，因而元件的相对位置的偏移明显地影响了对目标物颜色和三色值的计算(例如，CIE L*a*b的值)。但采用蓝光LED的白光LED在相对低廉的价格、长寿命以及稳定性方面是有利的。只要防止了偏移，这种白光LED在工业上非常适用。
为了防止相对位置的偏移的目的，如上所述，在该实施例中，通过在光学元件13上安装微透镜阵列18，通过一对垫片19a，19b固定光学元件13和衍射元件17以及通过结合元件23固定封装体21和衍射元件，光学元件13微透镜阵列18、衍射元件17及线性传感器16整体化。
特别地，每个垫片由沿图7A，7B中的X轴延伸的片组成。借由粘合剂，这对垫片19a，19b分别粘合在透明基板13a的+Z侧表面的两端上。微透镜阵列18置于这对垫片19a，19b之间。两个垫片的厚度相同且厚度大于微透镜18a沿光轴或Z轴的长度。
优选地，垫片由热膨胀系数非常接近或等于衍射元件17和透明基板13a的热膨胀系数的诸如光学玻璃的材料制成。这可以减少相对于温度变化由材料的热膨胀系数不同所造成的翘曲或弯曲。
借由粘合剂衍射元件17固定在这对垫片19a，19b的+Z侧表面上，且以一定的相对位置固定衍射元件17和光学元件13。
以示例的方式，结合元件23由沿X轴长的片制成，包括在中心处的沿X轴长的矩形开口23a和四个内侧表面。
优选地，结合元件23由热膨胀系数非常接近或等于衍射元件17和封装体21的热膨胀系数的材料制成。这可以减少相对于温度变化由材料的热膨胀系数不同所造成的翘曲或弯曲。
封装体21的外部形状为立方体，具有开口的-Z侧和四个侧面且略微小于结合元件23的矩形开口23a并配合在其中。封装体21的外侧表面和结合元件23的内侧表面借由粘合剂大致平行地结合。包含结合元件23的该结合表面的第一虚拟平面正交于XY平面。封装体21插入矩形开口23a的量被设置为使得线性传感器16的光接收表面位于每个微透镜18a的焦点附近。
结合元件23的-Z侧表面借由粘合剂平行地固定在衍射元件17的+Z侧表面上，具有相对于Z轴、和在正交于和环绕Z轴的方向上的预设位置，从而来自衍射元件17的+1st级衍射图像被线性传感器16上相应的像素接收。包含结合元件23的该结合(-Z侧)表面的第二虚拟平面大致平行于XY平面。因而，第一和第二虚拟平面彼此大致正交。
光学元件13、微透镜阵列18、衍射元件17和线性传感器16以一定的相对位置集成。下文中，光学元件13、微透镜阵列18、垫片对19a，19b、及衍射元件17全体被称为光谱分析单元40。
以下将描述光谱分析单元15的组装。需调节光谱单元40和线性传感器16的相对位置。
在该实施例中，衍射元件17的不均匀度的方向相对于X轴倾斜一定角度，图14中单个光束的-2nd级至+2nd级衍射图像在正交于不均匀度方向的方向上排列。因而，为了在线性传感器16的光谱分析传感器上仅接收+1st级衍射图像，必须相对地调节光谱单元40和线性传感器16相对于Z轴或微透镜18a的光轴并在正交于和环绕Z轴的方向上的位置。相对于Z轴的调节例如包括依据制造过程中的曲率误差造成的微透镜18a的焦距长度的变化来调节+1st级衍射图像的尺寸。
参见图16A-16D，以示例的方式描述光谱分析单元15的组装过程。光谱分析单元15由操作者手动地组装。下文中使用αβγ三维坐标系。垂直方向定义为γ轴(+γ为朝上)，正交于γ轴的方向为α轴，正交于γ和α轴的方向是β轴。
首先，在图16A中，放置光学元件13，以光学板13b在-γ侧且孔径在α轴上对准的状态。微透镜18a结合在光学元件13的+γ侧表面上与孔径相关联的位置处。
随后，在图16B中，光学元件13的+γ侧表面的两端借由粘合剂结合在垫片19a、19b的-γ侧表面上，同时垫片19a、19b的+γ侧表面借由粘合剂结合在衍射元件17的-γ侧表面上。因而，光学元件13和衍射元件17通过垫片19a，19b集成以形成光谱分析单元40。
之后，在图16C中，结合元件23被放置在光谱分析单元40上，也即，衍射元件17的+γ侧表面上。
接下来，在图16D中，线性传感器16借由粘合剂被固定在封装体21的内底面上，且封装体21配合入结合元件23的矩形开口23a中。
可选地，在包含线性传感器16的封装体21配合入结合元件23之后再将结合元件23放置在光谱单元40上。如上所述，通过集成衍射元件17和线性传感器16来组装光谱单元40和线性传感器16。衍射元件17和封装体21借由粘合剂集成。
在附图16D中，包含结合元件23的结合表面和封装体21的第一虚拟平面与包含结合元件23的结合表面和光谱单元40或衍射元件17的第二虚拟平面大致正交。
在该情况下，通过结合元件23放置在光谱分析单元40上，图17中，结合元件23和光谱单元40的平行移动被限制为正交于γ轴的方向(α，β轴)，且它们的旋转被限制为环绕γ轴。
进一步地，图16D中，通过结合元件23配合入封装体21，它们的平行移动被限制为仅沿γ轴，且它们不能旋转。
因而，封装体21和光谱单元40可仅在γ轴上和在正交于γ轴的方向上平行移动，以及绕γ轴旋转。
当白光光束从-γ轴向光谱单元40或光学元件13投射时，线性传感器16接收衍射图像。通过在监控每个光谱分析传感器的六个像素输出的信号的同时，沿γ轴相对地移动封装体21和结合元件23、在正交于γ轴的方向上相对地移动结合元件23和光谱单元40、以及绕γ轴相对地旋转结合元件23和光谱单元40来调节光谱分析传感器的位置以仅接收+1st级衍射图像。在该实施例中，相对移动包括相对于另一对象移动一个静止对象以及移动两个对象。相似地，相对旋转包括相对另一对象旋转一个对象以及旋转两个对象。
如图14所示，由于+1st级衍射图像沿X轴对准，因而结合元件23和光谱单元40沿α轴的定位对于光谱分析传感器处仅接收+1st级衍射图像并不是重要的。
接下来，描述它们沿γ轴、绕γ轴及在正交于γ轴的方向上的定位的实例。首先，光束通过具有不同波长谱带的光谱滤波器投射至白扩散板，且反射光束通过成像系统14、光学元件13、微透镜阵列18及衍射元件17被引导至线性传感器16。例如，如果0th级衍射图像从单个像素输出，而1st级衍射图像从另一像素输出，则彼此配合的封装体21和结合元件沿γ轴相对地移动，且结合元件23和光谱单元40沿β轴相对地移动以阻止输出0th级衍射图像且从六个像素输出1st级衍射图像。进一步地，为了从所有的光谱分析传感器(例如三个)输出相同数量的信号，绕γ轴相对地旋转彼此邻接的结合元件23和光谱单元40。
在光谱单元40和封装体21如上定位之后，封装体21的外侧表面和结合元件23的内侧表面借由粘合剂结合，结合元件23的-γ侧表面与光谱单元40的+γ侧表面借由粘合剂结合，从而形成光谱分析单元15。
用于结合光谱单元40和结合元件23、以及结合元件23和封装体21的粘合剂优选地为紫外固化树脂，结合元件23优选地配置为至少透射紫外光束。在光谱单元40和封装体21定位后，在封装体21的外侧表面和结合元件23的内侧表面之间、以及结合元件23的-γ侧表面与光谱单元40的+γ侧表面之间注入紫外固化树脂，并照射紫外光束以结合结合元件23和光谱单元40。从而，粘合剂的厚度可最小化，并且可防止元件由于粘合剂层的不足和它们的热膨胀系数所引起的振动而发生移位。
类似地，用于结合光学元件13和垫片19a，19b、以及垫片19a，19b和衍射元件17的粘合剂优选地为紫外固化树脂，且垫片19a，19b中至少之一被配置为至少透射紫外光。同样可达到上述相同的效果。
根据第一实施例的光谱仪10包括将光束投射至纸张P的光源单元11，设置在纸张P反射的光束路径上的具有孔径的光学元件13，具有分别布置在穿过孔径的光束路径上的微透镜18a的微透镜阵列18，设置在来自微透镜18a的光束路径上的衍射元件17，以及具有用以分别接收由衍射元件17形成的衍射图像的光接收区域16a的线性传感器16。
如上述配置，来自纸张P的反射光束通过孔径和微透镜18a入射在衍射元件17上。衍射元件17形成光束的衍射图像，且线性传感器16的各个光接收区域16a接收这些衍射图像。
进一步地，光学元件13、微透镜阵列18、衍射元件17和线性传感器16集成为一个单元。这可以减少光学元件13、微透镜阵列18、衍射元件17和线性传感器16之间的相对位置随时间或由振动或温度变化造成的偏移。因此，光谱仪10能够稳定、精确地测量反射光束的波长光谱、或稳定地实施光谱分析。
进一步地，即使使用具有蓝光LED的白光LED作为光源，仍能保持光谱仪的精确度。
进一步地，衍射元件17被放置为线性传感器16的光谱分析传感器仅接收+1st级衍射图像，因而能够防止相邻光谱分析传感器之间的串扰。
进一步地，鉴于第一和第二虚拟平面彼此正交，因而当封装体21配合入结合元件23且结合元件23放置在光谱单元40上以组装光谱分析单元15时，封装体21和光谱单元40的平行移动可被限制为沿γ轴和在正交于γ轴的方向上，以及它们的旋转可被限制为绕γ轴。
封装体21和光谱分析单元40通过结合元件23可沿γ轴和正交于γ轴的平面相对地移动，从而方便地将它们定位。因而，能够方便快捷地组装光谱分析单元15。
此外，图像质量检测器245包括光谱仪10和用于基于光谱仪10的输出信号来计算每一测量点上反射光束的波长光谱的估计值的处理器20。
控制器2090被配置为指示图像质量检测器2245在图像处理控制时刻根据图像分辨率来检测图像质量。其还基于图像质量检测器2245的检测结果来调节图像生成过程。因而，根据该实施例的图像形成装置2000能够稳定地生成高质量图像。
进一步地，其可以由打印在被图像质量检测器2245检测的纸张P上的图像的光谱反射率来计算三色值XYZ和作为CIELAB的色度数据。因而，图像形成装置2000能够由色度数据来监控打印过程，从而若打印过程中有任何变化就调节或停止打印。因而，其能够稳定地生成以精确色彩呈现的良好图像。
此外，结合元件23和封装体21之间的大小关系是可逆的，从而结合元件配合入封装体21且彼此结合。
进一步地，替代沿Y轴分开布置的垫片19a，19b，可提供其中放置有微透镜阵列18的开口或具有平行于XY平面的凹口的平板。可选地，沿Y轴延伸的垫片可沿X轴分开布置。
此外，替代垫片19a，19b，可在衍射元件的-Z侧表面的端部上、或光学元件的+Z侧表面的端部上提供至少一个突出。
第二实施例
参见附图18和附图19A-19C，描述根据第二实施例的光谱分析单元。
光谱分析单元150与第一实施例中的10的配置不同。图18中，包含线性传感器16的封装体21直接地结合在衍射元件170上。线性传感器16和衍射元件17以一定的相对位置一体地固定。衍射元件170和光学元件13通过结合元件23结合。因而光谱分析单元150被配置为不包含垫片。
具体地，封装体21的-Z侧表面和衍射元件170的+Z侧表面借由粘合剂结合。也即，衍射元件170和线性传感器16一体地形成。衍射元件170配合入结合元件23，且借由粘合剂与结合元件的内侧表面和衍射元件170的外侧表面平行地粘结。借由粘合剂，结合元件23的-Z侧表面和光学元件13的+Z侧表面平行地结合。衍射元件170的外部形状为立方体，且从+Z轴看略微小于矩形开口23a。
因而，包含结合元件23和衍射元件170的结合面的第三虚拟平面与包含结合元件23和光学元件13的结合面的第四虚拟平面大致正交。
下文中，光学元件13和微透镜阵列18一起被称为透镜单元30，而衍射元件170、封装体21和线性传感器16被称为传感器单元50。
参见附图19A-19C，描述光谱分析单元150的组装过程。
首先，如第一实施例中的，例如三个微透镜18a被附着至光学元件13上以形成图19A中的透镜单元30。随后，结合元件23被安装在图19B中的透镜单元30的+γ侧表面上。
之后，线性传感器16被结合在封装体21的内底面上，且封装体21的开口端和衍射元件170的+γ侧表面借由粘合剂结合以形成传感器单元50。可在透镜单元30之前组装传感器单元50。
随后，图19C中，传感器单元50配合入结合元件23。可选地，可在传感器单元50配合入结合元件23之后再将结合元件23放置在透镜单元30上。这里，第三和第四虚拟平面彼此正交。
如第一实施例中的，在监控线性传感器16输出的信号的同时，相对于γ轴、在正交于γ轴的方向上及绕γ轴定位传感器单元50和透镜单元30，从而从透镜单元30的-γ侧入射光束，光谱分析传感器可仅接收1st级衍射图像。
具体地，为了位置调节，沿γ轴和在正交于γ轴的方向上相对地移动透镜单元30和传感器单元50，随后绕γ轴相对地旋转这两者。调节的顺序可随意更换。
由于第三和第四虚拟平面彼此正交，因而与第一实施例相同，能够在不同方向上简单地定位这两个单元。从而，能够方便快捷地组装光谱分析单元150。
进一步地，由于衍射元件170借由结合元件23固定在光学元件13的+Z侧表面上，因而无需使用垫片来确保在衍射元件170和光学元件13之间的空隙，以放置微透镜阵列18。
而且，将衍射元件170结合在包含线性传感器16的封装体21的开口端以形成传感器单元50。因而，可较早地密封封装体21，并防止了外来物质附着在线性传感器16的光接收表面上。
由于无垫片，与第一实施例相比减少了组件和元件的数量以及组装步骤的数目，从而节约了成本。
包含线性传感器16的封装体21和衍射元件170是集成的，且封装体21被密封。因而能够防止外来物质附着在线性传感器16的光接收表面上，从而防止了光谱分析精确度的降低。
进一步地，例如，衍射元件的尺寸略微地小于封装体的尺寸。其可配合入封装体，且衍射元件的外侧表面可与封装体的内侧表面结合，以及封装体的外侧表面可与结合元件的内侧表面结合。这种情况下，包含结合元件的结合表面和传感器单元的垂直平面与包含结合元件的结合表面和透镜单元的垂直平面相互正交。
此外，结合元件和传感器单元之间、以及结合元件和透镜单元之间的大小关系是可逆的。可配置为结合元件的+Z侧表面与传感器单元的-Z侧表面结合，透镜单元配合入结合元件且结合元件的内侧表面与传感器单元的外侧表面结合。这种情况下，包含结合元件的结合表面和传感器单元的虚拟平面平行于XY平面，且包含透镜单元和结合元件的结合表面的虚拟平面正交于XY平面。因而，两个虚拟平面彼此正交。
同时，通常，像素(图20中)的高度h和宽度c特定于线性传感器16。由成像系统14的放大率和孔径间距来确定单个光谱分析传感器的像素个数N。衍射元件上不均匀度的方向被确定，从而沿X轴子线性传感器16上的衍射图像的倾斜角度为tan-1(h/(N*c))。
存在有其中像素高度可调的TDI(时间延迟积分)线性传感器。这种情况下，像素高度h可设置为被调节的高度。
通过形成具有设定方向上的非均匀度的衍射元件17或170来获取必需的谱带数量N。
上述实施例使用微透镜阵列作为光学会聚元件。可选地，也可为具有梯度折射率透镜的
Figure BSA00000886993000151
透镜阵列。
进一步地，结合元件可包括多边形或椭圆形开口来替代矩形开口，且封装体或衍射元件可被形成为配合入结合元件的该开口的形状。只要配合在封装体或衍射元件中的结合元件沿Z轴相对地移动，其可任意配置。
为组装光谱分析单元，γ轴可以是不同于垂直方向的其他方向。
成像系统的结构和光源单元的结构可以任意更换。孔径、微透镜阵列及线性传感器的个数可任意更换。
进一步地，本发明描述的实施例中图像形成装置是电子照相类型。可选地，它也可以是喷墨类型。这种情况下，通过依据打印头部位置调节墨水流量(blowamount)、或者调节点图案，其可以在一张纸或多张纸上校正颜色变化。
进一步地，调色剂颜色的数量可以是诸如5或6种，来代替4种。
本实施例中，调色剂图像从感光鼓上通过转印带转印。可选地，调色剂图像可直接转印至纸上。
图像形成装置可以使用诸如照相纸的介质，以通过光束斑的热能来生成颜色。
进一步地，光谱仪10适用于除了图像形成装置之外的其它装置，例如用于评价介质上的图像质量的图像评价单元，如图21所示。图像评价单元包括光谱仪10，用于移动介质和光谱仪10中至少一个的移动系统180以及根据光谱分析单元15的光接收元件(如线性传感器)的输出信号来评价图像的处理器200。这种图像评价单元能够正确评价图像质量，且适用于确定纸币或信用卡的真实性或类型的评价装置。同样地，它也可以评价打印在除纸张外诸如塑料的材料上的图像。
为了诸如具有塑性的纸张的目标物，移动系统可包括旋转棍，其中纸张附着在旋转棍的表面上以绕轴旋转。
虽然在示例性实施例方面已经描述了本发明，但本发明并不限于此。可以理解，在不背离由下述权利要求定义的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可对所描述的实施例进行变型或修改。

Claims (8)

1.一种光谱仪，包括：
用于将光束投射至目标物的光源；
用于分散被目标物反射的光束且包括衍射元件以衍射该光束的光谱元件；以及
用于按像素接收被光谱元件分散的、彼此具有不同光谱特性的光束的光接收元件，其中，
所述衍射元件和光接收元件一体形成。
2.根据权利要求1的光谱仪，其中：
光谱单元包括：具有孔径的光学元件，被所述目标物反射的光束通过该孔径；以及将透射过该光学元件的光束成像的成像元件；以及
所述衍射元件、光学元件以及成像元件一体形成。
3.根据权利要求2的光谱仪，进一步地包括：
其中光学元件和衍射元件以一定的相对位置固定的子单元；以及
支持该光接收元件的支持体；
将该子单元和该支持体相结合的结合元件，其中
包含结合元件的其上结合有子单元的表面的虚拟平面与包含结合元件的其上结合有支持体的表面的虚拟平面彼此正交。
4.根据权利要求2的光谱仪，其中
其中所述光学元件和衍射元件以一定的相对位置固定的子单元；以及
将该子单元和光学元件相结合的结合元件，其中
包含结合元件的其上结合有所述光学元件的表面的虚拟平面与包含结合元件的其上结合有所述子单元的表面的虚拟平面彼此正交。
5.根据权利要求2至4中任一项的光谱仪，其中
所述成像元件附着至光学元件上。
6.根据权利要求1至5中任一项的光谱仪，其中
所述光源包括采用蓝光LED的光源以投射白光光束。
7.一种图像评价单元，用于评价介质上的图像质量，包含：
根据权利要求1至6中任一项的光谱仪，用于对图像进行光谱分析；
用于移动介质和光谱仪中至少一个的移动系统；以及
用于控制该移动系统的控制系统。
8.一种图像形成装置，包含：
其上形成有图像的感光体；
根据权利要求1至6中任一项的光谱仪；以及
相对地移动光谱仪和感光器并且基于光谱仪的输出来获取形成在感光体上的图像的光谱特性的处理器。
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