CN1049741C

CN1049741C - 扫描光学系统以及利用该光学系统的成像设备

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Publication number: CN1049741C
Application number: CN95105525.9A
Authority: CN
Inventors: 朴一武; 吉川智延; 山本义春; 中岛宏宪; 游佐昭纪
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 2000-02-23
Anticipated expiration: 2015-05-23
Also published as: JPH07318832A; US5745277A; JP3192552B2; CN1120174A

Abstract

本发明的扫描光学系统包含一个由一个第一球面透镜和一个第二复曲面透镜组成的聚光透镜系统，该第一球面透镜具有正光焦度，并且在扫描面一侧有一个凸弯月形表面，该第二复曲面透镜的入射表面为马鞍形复曲面，其中当入射表面上的一个点沿扫描方向离开光轴愈远时则该点处亚扫描方向的曲率半径就愈大。从一个光源发出的激光束被一个多面镜偏转和扫描，从而通过聚光透镜系统在扫描面上形成一个图像。

Description

扫描光学系统以及利用该光学系统的成像设备

本发明涉及用于激光打印机之类设备的扫描光学系统，较具体地说，涉及一种扫描光学系统和一种利用这种扫描光学系统的成像设备，这种扫描光学系统具有能够补偿在用多面镜偏转激光束时可能出现的多面镜光学偏转表面的倾斜的功能。

前物镜型扫描光学系统经常被用于通常的激光打印机之类的设备，其中一个聚光镜系统放置在使激光束偏转的多面镜的后面。在前物镜型扫描光学系统中，由激光二极管发射的激光束被一个准直镜准直成为基本平行的光束。在利用诸如柱透镜之类的元件进行光束整形之后，该平行激光束射向一个多面镜。经过多面镜的反射和偏转之后，该入射光束通过聚光镜系统在例如光敏鼓这样的扫描面上形成一个光斑。多面镜以均匀的角速度旋转，从而实现该光斑对扫描面的扫描。聚光镜系统的一个光学功能是使光斑在扫描方向上的扫描速度保持为常值。聚光镜系统还有一个功能是补偿“多面镜偏转面的倾斜”(以下简称为“表面倾斜”)，这是通过使多面镜上的偏转点和光敏鼓上的扫描面在几何光学意义上沿亚扫描方向具有共轭关系来实现的。

补偿表面倾斜的一个一般方法是让聚光镜系统具有复杂面形表面，例如像日本专利申请61-243422号中所描述的那样。这里“复杂面形表面”一词的意思是指复曲面和非球面的表面。然而，这不能充分地校正畸变，在亚扫描方向上尤其是如此。其结果是，在扫描面上形成的光斑的直径随扫描的位置而变化，使得实现宽视场角和高分辨率的成像有困难。

在布局于二维平面内的扫描光学系统中，象球差和畸变等光学特性在扫描方向上是非对称的，使得在整个扫描面上均匀地校正成像性能出现困难。

本发明的目的是提供一种小尺寸的扫描光学系统，它具有宽的视场角并且在整个扫描面上具有高的性能。

本发明的扫描光学系统利用一个多面镜使从光源发射的激光束发生偏转，并借助一个聚光镜系统用该偏转的激光束对扫描面扫描。该聚光镜系统包括：一个具有正光焦度并且在扫描面一侧具有凸弯月形表面的第一非球面透镜；以及一个具有正光焦度的第二复曲面透镜，它在扫描方向的中央区域沿亚扫描方向上的光焦度和在边缘区域的光焦度不同。

在一个例子中，该第二复曲面透镜是马鞍形复曲面状的，其中当入射表面上的一个点在扫描方向上离开光轴愈远时，该点处在亚扫描方向上的曲率半径就愈大。

在另一个例子中，该第二复曲面透镜至少含有一个扫描方向上的非球面表面。

在又一个例子中，该第二复曲面透镜的出射表面是桶状复曲面，其中当出射表面上的一个点在扫描方向上离开光轴愈远时，该点处在亚扫描方向上的曲率半径就愈小。

在又一个例子中，满足表达式(1)：

0.3 < \frac{f_{y} \cdot d_{2}}{r_{3 x} \cdot r_{4 x}} < 4.5 - - - (1)

其中r_3x是第二复曲面透镜的入射表面在光轴中心处沿亚扫描方向的曲率半径，r_4x是第二复曲面透镜的出射表面在光轴中心处沿亚扫描方向的曲率半径，f_y是第一非球面透镜和第二复曲面透镜在扫描方向的复合焦距；以及d₂是第二复曲面透镜的厚度。

在又一个例子中，满足表达式(2)：

0.3 < \frac{y_{m}}{YD \cdot f_{y}} < 2.6 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (2)

其中YD是聚光镜系统沿扫描方向相对于光轴的偏心量，y_m是由聚光镜系统所形成的最大像高，以及f_y是第一非球面透镜和第二复曲面透镜在扫描方向上的复合焦距。

在本发明的另一个方面，提供了一种成像设备。该设备包括：使光敏表面带电的装置；利用上面所描述的扫描光学系统在光敏面上形成静电潜像的装置；用来使静电潜像显影的装置；以及用来把显影的像转移到转移媒体上的装置。

在本发明的扫描光学系统中，聚光镜系统的第二复曲面透镜的入射表面是马鞍形复曲面，其出射表面是桶形复曲面。在这样的形状下，由扩大视场角所引起的亚扫描方向上的畸变量的增大能够被有效地校正，形成在扫描面上的光斑直径随扫描位置的变化能最大程度地减小。

通过使聚光镜系统沿扫描方向相对于光轴偏心，能获得整个扫描宽度上的良好的光学性能。

这样，这里所描述的本发明使得下列优点成为可能：(1)提供一种能够在实现宽视场角和最大程度地减小形成在扫描面上的光斑直径变化的同时，有效地校正亚扫描方向上的畸变的扫描光学系统；(2)提供一种能够在整个扫描宽度内达到良好光学性能的扫描光学系统；以及(3)提供一种具有宽视场角和高分辨率的低成本小尺寸成像设备。

本发明的上述优点和其他优点对于熟悉于本技术领域的人们来说将通过阅读和理解下面结合附图所作的详细说明变得清楚明了。

图1示出根据本发明的扫描光学系统的布局。

图2是例1的扫描光学系统沿扫描方向观看时的截面图。

图3是图2的扫描光学系统沿亚扫描方向的观看时的截面图。

图4是代表由例1得到的畸变量的图。

图5代表由例1得到的fθ特性图。

图6是例2和例3的扫描光学系统沿扫描方向观看时的截面图。

图7是图6的扫描光学系统沿亚扫描方向观看时的截面图。

图8是代表由例2得到的畸变量的图。

图9是代表由例2得到的fθ特性图。

图10是代表由例3得到的畸变量的图。

图11代表由例3得到的fθ特性图。

图12示出采用本发明扫描光学系统的成像设备。

本发明将通过例子参考附图进行说明。在下面的说明中，各附图中的相同代号代表相同的元部件。

图1示出适用于本发明例1、例2和例3的扫描光学系统的布局。这些扫描光学系统包含一个激光二极管1，一个准直透镜2、一个柱透镜3、一个多面镜4、一个第一透镜5，以及一个第二透镜6。多面镜4环绕旋转轴8旋转。代号7代表光敏鼓。

图2和3分别是从扫描方向Y和亚扫描方向X观看时例1中扫描光学系统的截面图。图6和7分别是从扫描方向Y和亚扫描方向X观看时例2和例3中扫描光学系统的截面图。

下面将参考图1和2说明扫描光学系统的工作。“扫描方向Y”是指图1所示的光敏鼓的旋转轴方向，而“亚扫描方向X”是指既垂直于入射到图1所示光敏鼓上的激光束方向又垂直于光敏鼓旋转轴方向的方向。

参见图1、2和3，自激光二极管1发射的激光束被准直透镜2准直成基本上平行的光束，然后又被柱透镜3会聚，使得亚扫描方向X上的激光束在多面镜4的附近形成一个像。绕旋转轴8旋转的多面镜4使入射的激光束偏转，以实现扫描。偏转的激光束通过由作为第一透镜5的非球面透镜和作为第二透镜6的复曲面透镜所组成的聚光透镜系统，在光敏鼓7上形成一个像。第一透镜5和第二透镜6的安排使得多面镜4上的偏转点和光敏鼓7上的扫描面之间在亚扫描方向X上具有几何光学意义下的共轭关系。这样就补偿了多面镜4的倾斜。复曲面透镜6的入射表面是马鞍形复曲面，其中当入射表面上的一个点在扫描方向Y上离开光轴愈远时，该点处在亚扫描方向X上的曲率半径就愈大。这种马鞍形复曲面表面对校正亚扫描方向X上的畸变是有效的。然而，如果希望扫描光学系统有更宽的视场角，那末马鞍形复曲面表面还不足以充分校正亚扫描方向X上的畸变，而且亚扫描方向X上的曲率也变得较小。这样的扫描光学系统是比较难于生产的，其后果是增加了生产成本。这个问题可以通过采用一个桶形复曲面表面予以解决，其中当复曲面透镜6的入射表面上的一个点在扫描方向Y上离开光轴愈远时，则该点处亚扫描方向X上的曲率半径就愈小。这样，即使希望有更宽的视场角，亚扫描方向X上的畸变也能够得到有效的校正。形成在扫描面上的光斑直径的变化也可以最大限度地减小。

该实施例的扫描光学系统满足表达式(1)：

0.3 < | \frac{f_{y} \cdot d_{2}}{r_{3 x} \cdot r_{4 x}} | < 4.5 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (1)

其中r_3x是作为复曲面透镜的第二透镜6的入射表面在光轴中心处沿亚扫描方向X的曲率半径，r_4x是第二透镜6的出射表面在光轴中心处沿亚扫描方向X的曲率半径，f_y是组成聚光透镜系统的第一透镜5和第二透镜6在扫描方向Y的复合焦距，以及d₂是作为复曲面透镜的第二透镜6的厚度。

下面将从技术观点解释表达式(1)。

表达式(1)将下述各个量的比例关系联系起来：复曲面透镜6的入射表面在光轴中心处亚扫描方向X上的曲率半径r_3x，复曲面透镜6的出射表面在光轴中心处亚扫描方向X上的曲率半径r_4x，非球面透镜5和复曲面透镜6在扫描方向Y的复合焦距f_y，以及复曲面透镜6的厚度d₂。这主要用来有效地校正宽视场角区域的亚扫描方向X上的畸变。当曲率半径r_3x和曲率半径r_4x都太小，从而使得到的比值超过表达式(1)的上限时，则亚扫描方向X上的畸变校正就过度了。其后果是，不能得到所希望的光学性能，从而难以扩大扫描光学系统的视场角。反之，当曲率半径r_3x和曲率半径r_4x都太大，从而使得到的比值超过出了表达式(1)的低限时，则亚扫描方向X上的畸变校正不足。

在该实施例中，为了有效地校正扫描方向Y上的畸变和fθ特性，从而得到整个有效扫描宽度上的良好光学性能，复曲面透镜6最好至少含有一个扫描方向Y上的非球面。

该实施例的扫描光学系统还满足表达式(2)：

0.3 < \frac{y_{m}}{YD \cdot f_{y}} < 2.6 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (2)

其中YD是组成聚光透镜系统的第一透镜5和第二透镜6在扫描方向Y上相对于光轴的偏心量，y_m是由第一透镜5和第二透镜6所形成的最大像高，以及f_y是第一透镜5和第二透镜6在扫描方向Y的复合焦距。

下面从技术观点解释表达式(2)。

表达式(2)把下列各量的比例关系联系起来：第一透镜5和第二透镜6在扫描方向Y相对于光轴的偏心量YD，第一透镜5和第二透镜6在扫描方向Y的复合焦距f_y，以及由第一透镜5和第二透镜6所形成的最大像高y_m。这主要用于布局在二维平面内的聚光透镜系统，以防止扫描光学系统由于如球差和扫描方向Y上的畸变那样的成像性能的非对称性所造成的光学性能下降，从而得到整个有效扫描宽度上的良好光学性能。当偏心量YD太小，使得到的比值超过表达式(2)的高限时，则对扫描方向Y上的成像性能的非对称性的校正不足。这样就难以有效地校正光学性能。反之，当偏心量YD太大，使得到的比值超出表达式(2)的低限时，光学性能沿着与像高的方向相反的方向下降，在扫描方向Y上像高的校正不足。

如上所述，采用了根据本发明的透镜形状和条件之后，就能够实现小尺寸的宽视场角扫描光学系统。利用这种扫描光学系统，扫描方向Y和亚扫描方向X上的畸变可以被有效地校正，从而可以获得整个扫描宽度范围内的良好光学性能。

作为例1至例3，下面给出一些示例性的参数。例2的示例性参数满足表达式(1)，例3的示例性参数满足表达式(1)和(2)。在这些例子中，f_y是第一透镜5和第二透镜6在扫描方向Y的复合焦距，F代表F数，θ代表扫描角。r₁、r₂和r₄是聚光透镜系统各透镜的表面的旁轴曲率半径(这里的顺序对应于从偏转点一方算超的实际顺序。这一点对下面的说明也适用)：r_3y和r_4y是透镜表面在扫描方向Y的旁轴曲率半径：r_3x和r_4x是透镜表面在光轴中心处沿亚扫描方向X的曲率半径：d₁、d₂、d₃和d₄是各相邻透镜表面之间的距离，也就是透镜表面的间距或空气间隙：n1和n2是透镜材料在波长为780nm下的折射率。组成聚光透镜系统的第一透镜5和第二透镜6相对于光轴在扫描方向Y上的偏心量为YD，非球面表面(由*号标明)由表达式(3)定义：

z = \frac{{cy}^{2}}{1 + \sqrt (1 - (1 + k) c^{2} y^{2})} + {DY}^{4} + {EY}^{6} + {FY}^{8} + {GY}^{10} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (3)

其中z是非球面表面上离光轴的高度为y的顶点至节平面的距离，y是离光轴的高度，c是非球面顶点的曲率，k是圆锥常数，D、E、F和G是非球面系数。(例1)f_y＝175mmθ＝18.0° F：扫描方向 37.5

亚扫描方向 37.5

d₁＝19.6r₁ ^*＝-77.4 d₂＝10.0 n1＝1.51r₂ ^*＝-43.1 d₃＝118.2r_3y＝-421.6 d₄＝6.0 n2＝1.52r_3x＝24.2r₄ ^*＝-487.5标有*的表面是非球面。这些非球面表面的非球面系数如下：

r₁ r₂ r₄K -4.82805 -0.46423 0.0D 1.03575×10 7.38887×10 -1.50743×10E 1.23933×10 4.24684×10 6.33546×10F -1.97891×10 1.39509×10 -4.91801×10G -2.51182×10 -1.85545×10 1.57302×10

例1中得到的畸变量和fθ特性分别示于图4和图5。(例2)f_y＝146mmθ＝21.6° F：扫描方向 37.5YD＝0.0mm 亚扫描方向 37.5

d₁＝23.1r₁ ^*＝-104.6 d₂＝13.0 n1＝1.51r₂ ^*＝-45.0 d₃＝96.2r_3y＝-528.3 d₄＝18.0 n2＝1.52r_3x＝21.8r_4y ^*＝-495.0r_4x＝-240.8

标有*的表面是非球面。这些非球面表面的非球面系数如下：

r₁ r₂ r_4yK -1.51526 -0.20170 0.0D 2.16455×10 1.17389×10 -1.66129×10E -1.30064×10 -4.21083×10 3.19423×10F -7.11922×10 -2.71728×10 2.94542×10G 6.68585×10 -5.67109×10 -2.83341×10

例2中得到的畸变量和fθ特性分别示于图8和图9。

(例3)y_m＝108mmf_y＝145mmθ＝21.7° F：扫描方向 37.5YD＝0.3mm 亚扫描方向 37.5

d₁＝23.0r₁ ^*＝-104.6 d₂＝12.9 n1＝1.51r₂ ^*＝-44.8 d₃＝95.7r_3y＝-525.8 d₄＝17.9 n2＝1.52r_3x＝21.7r_4y ^*＝-492.6r_4x＝-234.6

标有*的表面是非球面。这些非球面表面的非球面系数如下：

r₁ r₂ r_4yK -1.51526 -0.201696 0.0D 4.58412×10 1.48629×10 -1.66216×10E -1.40979×10 -2.29345×10 3.07831×10F -1.10948×10 -2.96234×10 2.45722×10G 8.51806×10 -7.96030×10 -2.33873×10

例3中得到的畸变量和fθ特性分别示于图10和图11。

图12示出采用根据本发明实施例的扫描光学系统的成像设备。

参见图12，该成像设备包含一个光敏鼓11，一个初级电化器12，一个根据本发明的扫描光学系统13，一个显影器14，一个转移电化器15，一个清洁器16，一个送纸盒17，一个送纸滚筒18，一个转移纸19，一个定影装置20，一个出纸滚筒21，以及一个出纸盘22。

下面将说明具有上述结构的成像设备的工作过程。光敏鼓11的表面被初级电化器12均匀地电化，具有预定的极性。图像信息通过扫描光学系统13被投影到光敏鼓11的已电化的表面上。光敏鼓11被光照射的部分上的电荷被排除掉，而没有被光照射的其余部分上的电荷被保留下来，由此形成了对应于图像信息的静电潜像。从显影器14向静电潜像输送被称作调色剂的带电有色细颗粒，它们将附着在保留下来的电荷上，从而使图像显影。显影的图像被重叠在从送纸盒17经过送纸滚筒18输送来的转移纸19上。然后，转移电化器15把具有与调色剂颗粒极性相反的电荷施加在转移纸19的不和显影的图像相接触的外表面上。这样，图像就被转移到转移纸19上。当转移纸19和光敏鼓11分离之后，转移纸19上的转移过来的图像被定影装置20定影。然后带有定影后的图像的转移纸19通过出纸滚筒21被送出到出纸盘22上。其后，光敏鼓11被清洁器16清洁，除去余下的调色剂，并返回到原来的电化步骤。

这样，通过采用本发明的扫描光学系统，便可低成本地实现宽视场角和高分辨率的小尺寸成像设备。

在不偏离本发明的范畴和精神的情形下，对于熟悉本技术领域的人们来说做出各种其他修改将是显然的并且容易实现的。从而，不希望把后附权利要求的范畴理解为局限于这里给出的说明，而希望广义地理解这些权利要求。

Claims

1、一种扫描光学系统，用来借助一个多面镜使从一个光源发出的激光束发生偏转，并通过一个聚光透镜系统用该偏转的激光束去扫描一个扫描面，该聚光透镜系统包括：一个第一非球面透镜，它具有正光焦度，并且在扫描面一侧具有凸弯月形表面；以及一个第二复曲面透镜，它具有正光焦度，并且该第二复曲面透镜在扫描方向上的中央部分的沿亚扫描方向的光焦度不同于周边部分的光焦度；

其中第二复曲面透镜的入射表面为马鞍形复曲面，其中当入射表面上的一个点沿扫描方向离开光轴愈远时，该点处的亚扫描方向上的曲率半径就愈大；

其中第二复曲面透镜的出射表面为桶形复曲面，其中当出射表面上的一个点沿扫描方向离开光轴愈远时，该点处的亚扫描方向上的曲率半径就愈小。

2、根据权利要求1所述的扫描光学系统，其特征在于，满足表达式(1)：

0.3 < | \frac{f_{y} \cdot d_{2}}{r_{3 x} \cdot r_{4 x}} | < 4.5 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (1)

其中r_3x是第二复曲面透镜的入射表面在光轴中心处沿亚扫描方向的曲率半径，r_4x是第二复曲面透镜的出射表面在光轴中心处沿亚扫描方向的曲率半径，f_y是第一球面透镜和第二复曲面透镜在扫描方向的复合焦距，以及d₂是第二复曲面透镜的厚度。

3、根据权利要求2所述的扫描光学系统，其特征在于，满足表达式(2)

0.3 < \frac{y_{m}}{YD \cdot f_{y}} < 2.6 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (2)

其中YD是聚光透镜系统沿扫描方向相对于光轴的偏心量，y_m是由该聚光透镜系统所形成的最大像高，以及f_y是第一球面透镜和第二复曲面透镜在扫描方向的复合焦距。