CN1710458A - 扫描和成像光学系统、光学扫描器和成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描和成像光学系统，该光学系统向被扫描表面会聚由光偏转器偏转的光束，以在表面上形成用于光扫描的光点，包括多个扫描透镜。在扫描透镜中，扫描透镜中至少两个是通过塑料模制形成的树脂透镜，在水平扫描方向或在垂直扫描方向上位置坐标是X的情况下，在关于位置坐标X的横截面中的折射率分布是Δn(X)，在树脂透镜的包含光轴的水平扫描方向或在垂直扫描方向的横截面中的折射率分布、至少在垂直扫描方向上的折射率分布Δn(X)的符号对于所有的树脂透镜是不相同的。

Description

扫描和成像光学系统、光学扫描器和成像装置

技术领域

本发明涉及一种扫描和成像光学系统、光学扫描器和成像装置。

背景技术

与成像装置相联系的光学扫描器，譬如激光打印机和数字复印机，使用光偏转器及扫描和成像光学系统实施光扫描。光偏转器偏转来自光源的光束，而扫描和成像光学系统会聚向被扫描表面偏转的光束，以在该表面上形成光点。从而，实施光扫描。最近，作为扫描和成像光学系统或扫描和成像光学系统的部件，一般使用通过模制塑料制造的树脂透镜。树脂透镜可容易以低生产成本批量生产。因此，假如树脂透镜被应用至扫描和成像光学系统或扫描和成像光学系统的部件，光学扫描器和成像装置的制造成本可被显著降低。

此外，使用树脂透镜，可容易获得特殊透镜表面，譬如非球面的表面。因此，通过减少透镜的数量，树脂透镜很大程度上有助于简化扫描和成像光学系统的结构，从而提高光性能。

然而，树脂透镜具有在树脂透镜内发生折射率分布的缺点。在塑料模制过程中，热融塑料被注入金属模具中，并在金属模具中被冷却。在金属模具内的塑料从接触金属模具表面的部分逐渐冷却。位于靠近金属模具中心的塑料部分相对较慢被冷却。冷却后，树脂凝固并收缩且树脂的体积减小。因此，树脂透镜的外周部分是较早冷却的部分，在后来冷却的部分凝固之前凝固。假如在金属模具中存在具有较高温度和流动性的还没有凝固的部分，而塑料部件被凝固，还没有凝固的部分向体积已经减小的凝固部分移动。因此，后来冷却的部分在凝固时变为具有较低密度的固体。

因此，在塑料模制中的冷却过程中，树脂透镜内发生密度的不均匀分布。由于树脂的折射率与树脂的密度成比例，密度的不均匀性导致在树脂透镜内的折射率的不均匀性。在树脂透镜中，由于接近表面的部分比在树脂透镜内部远离表面的部分的密度高，在树脂透镜的内部最深部分的折射率是最低的，并逐渐向表面变高。

折射率的不均匀性还依赖于树脂透镜的形状。例如，在具有双凸横截面的树脂透镜中，树脂透镜的厚度从围绕光轴的部分向树脂透镜的边缘减小。在制造这种树脂透镜的冷却过程中，接近光轴的部分比接近边缘的部分花费了更多时间冷却。在这种情况中，接近边缘部分的折射率是较高的，和接近光轴部分的折射率是较低的。

反之，在具有双凹横截面树脂透镜中，树脂透镜的厚度从围绕光轴部分向接近树脂透镜边缘的部分增加。因此，接近边缘的部分比围绕光轴的部分花费了更多时间冷却。所以，在围绕光轴部分的折射率是较高的，以及在接近边缘部分的折射率是较低的。

由于树脂透镜的设计是在假定均匀的折射率情况下进行的，假如折射率在制造的树脂透镜中是不均匀的，则不能获得在设计阶段所期望的性能。在树脂透镜被用作扫描和成像光学系统或其部件时，偏转光束的成像位置偏离设计的位置，从而场曲率恶化，导致光点的点直径增大。

假如树脂透镜以这种方法被模制，金属模具中的树脂被放入恒温容器中经过足够长的时间被冷却，例如超过10小时，树脂透镜内部的折射率分布可基本上实现均匀的。然而，这种方法降低了树脂透镜的生产率，并增加了制造成本。因此，不能实现被认为是树脂透镜的优点的低成本。

通过考虑树脂透镜内部的折射率分布而实现的具有优良性能的光学扫描器被公开在日本专利申请公开第2003-344756号中。此外，用于光学扫描器的树脂透镜的折射率分布的公差被公开在日本专利申请公开第2003-352679号中。用于测量树脂透镜内的折射率分布的方法被说明在日本专利申请公开第H11-044641号中。

发明内容

本发明的目的是至少解决传统技术中的问题。

根据本发明的一个方面的一种扫描和成像光学系统将由光偏转器偏转的光束向被扫描表面会聚，以形成用于在表面上光扫描的光点，并包括多个扫描透镜。扫描透镜中至少两个是通过塑料模制形成的树脂透镜，并且在水平扫描方向或在垂直扫描方向上的位置坐标是X的情况下，相对于位置坐标X，在树脂透镜的包含光轴的水平扫描方向或在垂直扫描方向的横截面中的折射率分布是Δn(X)，且至少在垂直扫描方向上的折射率分布Δn(X)的符号对于所有的树脂透镜是不一致的。

根据本发明的另一个方面的光学扫描器通过由光偏转器偏转来自光源的光束，并将被偏转的光束向被扫描表面会聚，以在表面上形成光点，来进行光扫描，并包括根据上面方面的扫描和成像光学系统。

根据本发明的又一个方面的成像装置通过在感光介质上进行光扫描来形成图像，并包括根据上面方面的光扫描器。

当结合附图阅读时，本发明的其它特点、特征和优点从下面对本发明的详细说明中具体说明，或据此变得明确。

附图说明

图1是说明根据本发明第一实施例的光学扫描器的示意图；

图2A是说明设计的例子中扫描透镜的场曲率的示意图；

图2B是说明在扫描透镜具有在垂直扫描方向上折射率分布时的场曲率的示意图；

图2C是说明在扫描透镜5和扫描透镜6具有在不同符号的垂直扫描方向上折射率分布时的场曲率的示意图；

图3A和3B是说明在图1中的扫描透镜的垂直扫描方向上折射率分布的分布图；和

图4A至4D是说明图1中所示扫描透镜形状的示意图。

具体实施方式

参考附图将详细说明根据本发明的示范实施例。

图1是说明根据本发明第一实施例的光学扫描器的示意图。从光源1发射的发散光束通过耦合透镜2基本上被转换为平行光束，该光源1是半导体激光器。平行光束通过镜面M反射，同时通过柱面透镜3被会聚在垂直扫描方向上，从而形成为在多面镜4的偏转反射表面附近沿水平扫描方向长的线图像，该多面镜4是作为光偏转器的旋转多面镜4。随多面镜4以均匀速度的旋转，从偏转反射表面反射的光束成为以同样的角速度偏转的光束。然后，偏转的光束然后通过扫描透镜5和6以及防尘玻璃11，从而被引导向被扫描的表面8。因此，偏转的光束被会聚为光点。扫描透镜5和6组成扫描和成像光学系统。附图标记10表示用于截断多面镜的噪声而提供的外壳的隔音玻璃。根据光学扫描器的布置，镜面M可以省略。扫描透镜5和6是通过塑料模制形成的树脂透镜。

下面将说明设计值的具体数值示例。

光源1(半导体激光器)

发射波长：655纳米(nm)

耦合透镜2

焦距：27毫米(mm)

耦合作用(coupling action)：准直作用(collimating action)

多面镜4

偏转反射表面数：5

内切圆半径：18mm

来自光源侧的光束主光线和扫描光学系统的光轴间的夹角：58度

入射侧扫描透镜5的表面和两侧的扫描透镜6的表面由下面方程(1)和(2)表示。

在水平扫描方向上横截面的表面形状的形状是非圆弧形的，并由下面多项式(1)表示，其中Rm是光轴的水平扫描表面的近轴曲率半径，Y是水平扫描方向距离光轴的距离，K是圆锥常数，A1、A2、A3、A4、A5、A6、...是高阶系数，以及X是在光轴方向上的深度。

$X=(Y^2/\mathrm{Rm})/[1+\sqrt{\{1-(1+K){(Y/\mathrm{Rm})}^2\}}]-A1\·Y+A2\·Y^2+A3\·Y^3+A4\·Y^4+A5\·Y^5+A6\·Y^6+\·\·\·\left(1\right)$

假如非0的数被包含在奇阶系数A1、A3、A5、...中，水平扫描非圆弧形状相对于关于水平扫描方向的光轴是不对称的。在这个例子中，仅使用偶阶系数，因此，水平扫描非圆弧形状相对于水平扫描方向对称。

根据在水平扫描方向的坐标Y改变的垂直扫描横截面Cs(Y)的曲率状态由下面等式(2)表示。

Cs(Y)＝{1/Rs(0)}+B1·Y+B2·Y²+B3·Y³+B4·Y4⁺B5·Y⁵+...  (2)

在等式(2)中，假如变量Y的奇阶系数B1、B3、B5、...中任一个不是0，则垂直扫描横截面的曲率在水平扫描方向上不对称地改变。

扫描透镜5出射侧的表面是共轴非球面表面。

共轴非球面表面由下面方程(3)表示，其中R是近轴曲率半径，r是距离光轴的距离，k是圆锥常数，a1、a2、a3、...是高阶系数，以及Z是在光轴方向上的深度。

$Z=(r^2/R)/[1+\sqrt{\{1-(1+k){(r/R)}^2\}}]+a1\·r+a2\·r^2+a3\·r^3+a4\·r^4+\·\·\·\left(3\right)$

扫描透镜5的入射侧形状

Rm＝-279.9，Rs＝-61.0

K＝-2.900000E+01，A4＝1.755765E-07，A6＝-5.491789E-11，

A8＝1.087700E-14，A10＝-3.183245E-19，A12＝-2.635276E-24

B1＝-2.066347E-06，B2＝5.727737E-06，B3＝3.152201E-08，

B4＝2.280241E-09，B5＝-3.729852E-11，B6＝-3.283274E-12，

B7＝1.765590E-14，B8＝1.372995E-15，B9＝-2.889722E-18，

B10＝-1.984531E-19

扫描透镜5的出射侧形状

R＝-83.6，k＝-0.549157

a4＝2.748446E-07，a6＝-4.502346E-12，a8＝-7.366455E-15，

a10＝1.803003E-18，a12＝2.727900E-23

扫描透镜6的入射侧形状

Rm＝6950，Rs＝110.9

K＝0.000000E+00，A4＝1.549648E-08，A6＝1.292741E-14，

A8＝-8.811446E-18，A10＝-9.182312E-22，

B1＝-9.593510E-07，B2＝-2.135322E-07，B3＝-8.079549E-12，

B4＝2.390609E-12，B5＝2.881396E-14，B6＝3.693775E-15，

B7＝-3.258754E-18，B8＝1.814487E-20，B9＝8.722085E-23，

B10＝-1.340807E-23

扫描透镜6的出射侧形状

Rm＝766，Rs＝-68.22

K＝0.000000E+00，A4＝-1.150396E-07，A6＝1.096926E-11，

A8＝-6.542135E-16，A10＝1.984381E-20，A12＝-2.411512E-25

B2＝3.644079E-07，B4＝-4.847051E-13，B6＝-1.666159E-16，

B8＝4.534859E-19，B10＝-2.819319E-23

当应用655nm波长时，扫描透镜5和6的材料(ZEONE X E-48R，Zeone公司制造)的折射率为1.52724(设计值)。在上述中，例如，“-2.819319E-23”表示“-2.819319×10^-23”。

光学布置

从偏转反射面到扫描透镜5的入射侧的距离：d1＝64mm

扫描透镜5在中心处的厚度：d2＝22.6mm

扫描透镜5在垂直扫描方向上的高度(在垂直扫描方向上的透镜宽度)：6.4mm

扫描透镜5在垂直扫描方向上的有效宽度：3.4mm

从扫描透镜5的出射侧到扫描透镜6的入射侧的距离：d3＝75.9mm

扫描透镜5在垂直扫描方向上的折射率分布：Δn＝8E-06

扫描透镜6在中心处的厚度：d4＝4.9mm

扫描透镜6在垂直扫描方向上的高度：14.3mm

扫描透镜6在垂直扫描方向上的有效宽度：6mm

从扫描透镜6的出射侧到被扫描表面的距离：d5＝158.7mm

扫描透镜6在垂直扫描方向上的折射率分布：Δn＝-1.8E-05

具有折射率1.514和厚度1.9mm的隔音玻璃10和防尘玻璃11分别如图1所示被布置，并且隔音玻璃10相对于平行于在水平扫描表面上的水平扫描方向被倾斜10度。

图2A是说明在例子中的光学系统设计的场曲率的示意图，即，扫描透镜5和6不具有非均匀折射率分布时的场曲率。实线表示在垂直扫描方向上的场曲率，而虚线表示在水平扫描方向上的场曲率。

如图4A所示，扫描透镜5具有在水平扫描方向上的144mm的长度，在光轴上的位置处22.6mm的厚度，以及在垂直扫描方向上的6.4mm的透镜宽度，如图4C所示，在图4C中显示了在包含光轴的垂直扫描横截面中的截面形状。在垂直扫描方向上的有效宽度(在相对于偏转光束可以实现有效光作用的区域的宽度)是3.4mm。

即，扫描透镜5具有“在光轴方向上的厚度22.6mm大于在垂直扫描方向上的透镜宽度6.4mm”的关系，并在水平和垂直扫描方向上均具有正光焦度(positive power)。

扫描透镜6具有在水平扫描方向上的242mm的长度，在光轴位置处4.9mm的厚度。如图4D所示，在图4D中显示了在包含光轴的垂直扫描横截面中的截面形状，扫描透镜6在垂直扫描方向上是双凸透镜，并在水平和垂直扫描方向上均具有正光焦度。

扫描透镜6还包括在垂直扫描方向上的光束通过区域外侧的凸缘，并且该凸缘在光轴方向上的宽度大于在光轴方向上的厚度。

即，如图4D所示，在垂直扫描方向上包含凸缘的高度是14.3mm，凸缘的厚度是3mm，并且在光轴方向上凸缘的宽度是9.9mm。即，在光轴位置处的厚度4.9mm小于在光轴方向上凸缘的宽度9.9mm。

图3A描绘扫描透镜5的“在光轴位置处的在垂直扫描方向上折射率分布”。折射率分布：Δn(X)被表示为

Δn(X)＝Δn·X²

其中X是在垂直扫描方向上的坐标，以光轴作为原点，并且在Δn＝Δn＝8E-06被应用时，

Δn(X)＝8×10^-6·X²

如图4A和4C所示，扫描透镜5在光轴方向上是厚的，具有基本上矩形的截面形状。由于在模制透镜时树脂从(截面形状的)外周部分冷却，扫描透镜5具有外周部分密度高且向中心部分密度变低的密度分布，并且具有如上述的在垂直扫描方向上的折射率分布。

图3B描绘扫描透镜6的在光轴位置处的在垂直扫描方向上折射率分布。折射率分布：Δn(X)被表示为

Δn(X)＝Δn·X²

其中X是在垂直扫描方向上的坐标，使用光轴作为原点，并且此时Δn＝Δn＝-1.8E-05被应用，

Δn(X)＝-1.8×10^-5·X²

如图4B和4D所示，扫描透镜6在光轴方向上具有相对小的厚度(4.9mm)，并且因其具有凸缘结构，凸缘周围的部分变厚。由于在模制时，树脂首先从接近光轴的部分冷却，而不是接近凸缘的部分，所以扫描透镜6具有中心部分密度高且朝向凸缘密度变低的密度分布。因此，在光束通过透镜区域的垂直扫描方向上的折射率变得外周部分低于中间部分。

在光学系统中，通过模拟实施光线跟踪来计算场曲率，基于扫描透镜6在透镜中具有均匀的折射率、以及仅在扫描透镜5中具有如上述垂直扫描方向上的折射率分布这个假设，场曲率为如图2B所示。

可以理解到，与设计的场曲率(图2A)相比较，在垂直扫描方向上的(实线所示)场曲率朝向正侧(positive side)恶化。这是因为，在扫描透镜5中的折射率分布的符号是正，并且扫描透镜5的正光焦度(positivepower)是变弱的。

在计算时，假定如图3A中所示的折射率分布(Δn(X)＝8×10^-6·X²)在扫描透镜5的水平扫描方向上是均匀的。这个假定基本上不与实际的测量相冲突。即，在垂直扫描方向上实际测量的折射率分布在水平扫描方向上几乎不改变。

在通过模拟实施光线跟踪来计算场曲率时，通过给扫描透镜6赋予折射率分布Δn(X)＝-1.8×10^-5·X²，场曲率成为如图2C所示。如图2C显而易见的，可以理解校正在垂直扫描方向上的场曲率以接近设计的场曲率。在该计算中，还假设图3B中所示的折射率分布(Δn(X)＝-1.8×10^-5·X²)在扫描透镜6的水平扫描方向上是均匀的。还有在扫描透镜6中，在垂直扫描方向上实际测量的折射率分布在水平扫描方向上几乎不改变。

因此，通过组合具有互相相反的在垂直扫描方向上的折射率分布的符号的透镜，如扫描透镜5和6，在垂直扫描方向上的场曲率的恶化可被有效地减少，并因此，可有效抑制因光点的直径增长而分辨率降低。

扫描透镜5具有上面的形状，并使用环烯烃聚合物(具有138摄氏度(℃)的玻璃转变点)作为材料在如下模制条件下被注射模制，：

金属模制温度：136℃；

树脂温度：280℃；

注射速度：20mm/秒(sec)；

注射压力：80兆帕(Mpa)；

冷却时间：300秒。

扫描透镜6具有上面的形状，并使用环烯烃共聚物作为材料在如下模制条件下被注射模制：

金属模制温度：136℃；

树脂温度：280℃；

注射速度：30mm/秒(sec)；

注射压力：80兆帕(Mpa)；

冷却时间：250秒。

根据本实施例的扫描和成像光学系统将由光偏转器4偏转的光束向被扫描表面会聚，以形成用于光扫描被扫描表面的光点。扫描和成像光学系统具有两个或多个扫描透镜5和6，并且这些扫描透镜中至少两个是通过塑料模制形成的树脂透镜5和6。假设在垂直扫描方向上相对于位置坐标X的折射率分布是Δn(X)时，在包含光轴的水平扫描方向上或垂直扫描方向上的树脂透镜5和6的横截面中，在垂直扫描方向上折射率分布Δn(X)的符号对于包含在扫描和成像光学系统中的所有树脂透镜5和6是不同的。

此外，由于在垂直扫描方向上折射率分布的符号对于所有树脂透镜5和6是不相同的，因此可减少由在各个树脂透镜中存在的折射率分布所导致的在垂直扫描方向上场曲率的恶化。

此外，因扫描和成像光学系统中包含两个树脂透镜，并且在两个树脂透镜5和6的垂直扫描方向上折射率分布Δn(X)的符号是互相相反的。树脂透镜5具有在垂直扫描横截面中的截面形状(见图4C)，使得在塑料模制时至少在垂直扫描方向上形成从光轴向外周部分增加的折射率分布。另一树脂透镜6具有在垂直扫描横截面中的截面形状(见图4C)，使得在塑料模制时至少在垂直扫描方向上形成从光轴向外周部分减少的折射率分布。

一个树脂透镜5光轴方向上的厚度大于在垂直扫描方向上宽度，而另一树脂透镜6在光轴方向上的厚度小于垂直扫描方向上的宽度。此外，另一树脂透镜6具有至少在垂直扫描方向上光束通过区域外侧的凸缘，并且在光轴方向上凸缘的宽度(9.9mm)大于在光轴方向上的厚度(4.9mm)。

使用根据本实施例的扫描和成像光学系统的在图1中的光学扫描器，通过由光偏转器4偏转来自光源1的光束，并通过扫描和成像光学系统5和6将偏转的光束向被扫描的表面8会聚以在被扫描的表面8上形成光点来实施光扫描

此外，旋转多面镜被用作光偏转器4，在光偏转器的偏转反射面附近来自光源1的光束被成像为在水平扫描方向上长的线图像，而扫描和成像光学系统5和6分别是象变成像光学系统，在其中偏转反射面的位置和被扫描的表面的位置在垂直扫描方向上成共轭关系。

因此，使用根据本实施例的扫描和成像光学系统作为在图1中显示的光学扫描器，布置感光介质以适合被扫描的表面8，以及通过光学扫描器相对于感光介质实施光扫描，可以实现成像装置。尤其是，可通过众所周知的静电照相处理实施图像构造，例如，将滚筒状光电导感光元件应用到感光介质上。

根据本发明，可有效减少扫描和成像光学系统的光特性的恶化。

尽管本发明参照完整和清楚公开的具体实施例被说明，但所附的权利要求不因此被限制，而被解释为体现本领域技术人员可想到的所有改进和替代的结构均完全落入在这里陈述的基本教导内。

Claims (10)

1、一种扫描和成像光学系统，该光学系统将由光偏转器偏转的光束向被扫描表面会聚，以在表面上形成用于光扫描的光点，其包括多个扫描透镜，其中

扫描透镜中至少两个是通过塑料模制形成的树脂透镜，且

其中在水平扫描方向或在垂直扫描方向上位置坐标是X，在关于位置坐标X的横截面中的折射率分布是Δn(X)，在树脂透镜的包含光轴的水平扫描方向或在垂直扫描方向的横截面中的折射率分布、以及至少在垂直扫描方向的折射率分布Δn(X)的来说对于所有的树脂透镜来说是不相同的。

2、如权利要求1所述的扫描和成像光学系统，其中在垂直扫描方向上的树脂透镜中的场曲率恶化得以减小。

3、如权利要求1所述的扫描和成像光学系统，其中在扫描透镜中的树脂透镜的数量是两个，并且

至少在树脂透镜的垂直扫描方向上的折射率分布Δn(X)的符号是互相相反的。

4、如权利要求3所述的扫描和成像光学系统，其中

树脂透镜中的一个这样的截面形状，即，其中至少在垂直扫描方向上的折射率分布从接近光轴的部分向边缘增加，该截面形状是在垂直扫描方向上的横截面的形状；且

树脂透镜中的另一个具有这样的截面形状，即，其中至少在垂直扫描方向上折射率分布从接近光轴的部分向边缘减小，该截面形状是在垂直扫描方向上的横截面的形状。

5、如权利要求4所述的扫描和成像光学系统，其中

树脂透镜中的一个被以这样一种方式形成，即，光轴方向上的厚度大于垂直扫描方向上的宽度；并且

树脂透镜中的另一个被以这样一种方式形成，即，光轴方向上的厚度小于垂直扫描方向上的宽度

6、如权利要求5所述的扫描和成像光学系统，其中

树脂透镜中的另一个包括布置在光束至少在垂直扫描方向上穿过的区域的外侧的凸缘，且

凸缘在光轴方向上的宽度在数值上大于树脂透镜中另一个的厚度。

7、一种光学扫描器，该光学扫描器通过由光偏转器偏转来自光源的光束，并向被扫描表面会聚被偏转的光束以在表面上形成光点，来进行光扫描，该光学扫描器包括：

根据权利要求1至6中任一项所述的扫描和成像光学系统。

8、如权利要求7所述的光学扫描器，其中

光偏转器是旋转多面镜，

光束被成像为在光偏转器的偏转反射表面附近沿水平扫描方向长的线图像；且

扫描和成像光学系统是象变成像光学系统，其中偏转反射表面的位置和被扫描表面的位置基本上是关于垂直扫描方向共轭。

9、一种通过在感光介质上实施光扫描来形成图像的成像装置，包括根据权利要求7所述的光学扫描器，使用该光学扫描器来实施光扫描。

10、如权利要求9所述的成像装置，其中感光介质是感光元件，该感光元件是光电导的。

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