CN1854800A - 激光光学单元、激光光学设备和成像设备 - Google Patents

Abstract

具有沿主扫描方向扫描光束的扫描器的激光光学设备中的激光光学单元，它包括：包括两个发光元件的激光光源，一个发光元件发光的时间与另一发光元件发光的时间重叠；为从所述光源发出的两个光束设置的准直透镜；和为所述两个光束设置的狭缝，用于限制所述两个光束从准直透镜到扫描器的传播，其中0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)，这里θ(°)是所述两个发光元件的排列方向与副扫描方向相遇的角度，d(微米)是所述两个发光元件之间的距离，λ(纳米)是激光的波长，f(毫米)是准直透镜的焦距，w(毫米)是狭缝的宽度。

Description

激光光学单元、激光光学设备和成像设备

技术领域

本发明涉及一种激光光学单元，激光光学设备和包括这种激光光学设备的成像设备。

背景技术

作为提高诸如复印机和打印机之类成像设备的处理速度的手段，提出了各种通过同时并行扫描多个激光来形成图像的技术。例如，在JP Tokukai-sho-57-22218A(下面称为“专利文件1”)中，公开一种通过使用具有多个发光元件的半导体激光阵列，通过沿副扫描方向排列所述多个发光元件，以及通过进行并行扫描，高速形成图像的技术。

但是，从半导体激光阵列发出的多个激光(光束)的特性非常一致，它们高度相干。因此，如果某一光源发光的时间与另一光源发光的时间重叠，那么在多个激光相交的区域中会出现干涉条纹。用于在感光鼓上形成束斑(beam spot)的狭缝(slit)(孔径)位于包含在激光扫描光学系统中的准直透镜之后。当由于不稳定的激光振荡，干涉条纹的分布发生变化时，通过狭缝的光量发生变化。这导致密度(density)方面的变化(不均匀性)。从而，图像质量降低。例如，在整个为黑色的图像上出现不规则的白线。为了控制通过狭缝的光量的上述变化，在JP Tokukai-2004-109588A(下面称为“专利文件2”)中提出了选择狭缝宽度的方法。

但是，就上述专利文件2中公开的方法来说，狭缝宽度被改变。这影响了曝光面(例如，感光鼓表面)上的束斑的直径。于是，为了使曝光面上的束斑的直径为预定值，必须改变例如透镜的特性。这意味着激光扫描光学系统被重新设计。从而，开发成本和工时增大。

发明内容

在上述背景情况下，做出了本发明。本发明的一个目的是控制由多个激光的干涉而引起的光量的变化，而不改变具有多个发光元件的常规激光扫描光学系统。

为了解决上述问题，根据本发明的第一方面，一种将装入具有沿主扫描方向扫描光束的扫描器的激光光学设备中的激光光学单元包含：包括两个发光元件的激光光源，一个发光元件发光的时间与另一发光元件发光的时间重叠；为从激光光源发出的两个光束设置的准直透镜；和为所述两个光束设置的狭缝，用于限制从准直透镜输出，并且输入到扫描器中的两个光束的传播，其中0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)，这里θ(°)是所述两个发光元件的排列方向与副扫描方向相遇的角度，d(微米)是所述两个发光元件之间的距离，λ(纳米)是激光的波长，f(毫米)是准直透镜的焦距，w(毫米)是狭缝的宽度。

最好，狭缝的纵向方向对应于主扫描方向。

根据本发明的第二方面，激光光学设备包括：包含两个发光元件的激光光源，一个个发光元件发光的时间与另一发光元件发光的时间重叠；为从激光光源发出的两个光束设置的准直透镜；为所述两个光束设置的狭缝，用于限制从准直透镜输出的两个光束的传播；和为所述两个光束设置的一个扫描器，用于沿主扫描方向扫描通过狭缝的所述两个光束，其中激光光源被这样设置，使得满足不等式0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)，这里θ(°)是所述两个发光元件的排列方向与副扫描方向相遇的角度，d(微米)是所述两个发光元件之间的距离，λ(纳米)是激光的波长，f(毫米)是准直透镜的焦距，w(毫米)是狭缝的宽度。

最好，狭缝的纵向方向对应于主扫描方向。

根据本发明的第三方面，成像设备包含所述激光光学设备。

根据本发明，能够控制由多个激光的干涉引起的光量方面的变化，而不必改变常规的激光扫描光学系统。

另外，按照包括本发明的激光光学设备的成像设备，通过控制由多个激光的干涉所引起的光量的变化，能够防止图像质量的降低。

附图说明

根据下面给出的详细说明和只是作为例子给出的，从而并不意图限制本发明的范围的附图，将更充分地理解本发明，其中：

图1表示根据本发明的一个实施例的成像设备的大致结构；

图2表示图1中所示的成像设备中的曝光单元(激光扫描光学系统)的大致结构；

图3表示激光光源、准直透镜和狭缝的相对位置；

图4A表示两个平面波的干涉，图4B表示波数矢量k₁和k₂与矢量K之间的关系；

图5A表示单一激光的强度在x轴方向上的分布，图5B表示单一激光的强度在y轴方向上的分布，图5C表示单一激光的强度在狭缝表面(x-y平面)上的分布；

图6A表示当两个激光相互干涉时，在狭缝表面上获得的光强度的分布的例子，图6B表示当两个激光相互干涉时，在狭缝表面上获得的光强度的分布的另一例子；

图7表示(狭缝宽度w/干涉条纹周期Λ)和对比度C之间的关系；

图8表示当包括在激光光源中的两个发光元件的排列方向相对于副扫描方向倾斜θ角时产生的有效狭缝宽度w′；

图9表示激光光源的倾斜角θ与白线的出现之间的关系；

图10A表示如果所述两个发光元件的排列方向近似平行于副扫描方向，所获得的束斑的相对位置，图10B表示如果所述两个发光元件的排列方向相对于副扫描方向倾斜θ角，所获得的束斑的相对位置；

图11表示当激光光源相对于副扫描方向被倾斜时所获得的扫描线。

具体实施方式

下面参考附图说明本发明的一个实施例。

首先说明该实施例的结构。

图1是表示根据本发明的一个实施例的成像设备100的大致结构的图。成像设备100是复印机、打印机等，包括通过在感光鼓1上扫描激光形成静电潜像的曝光单元10，感光鼓1，使感光鼓1带电荷的充电单元(charging unit)2，把墨粉附着到感光鼓1上的显影单元3，转印单元4，清除感光鼓1的表面上的残留墨粉的清洁器5，和使感光鼓1的表面中和的电荷中和单元6。转印单元4包括通过使转印纸P带电，并通过使转印纸P吸附墨粉图像，进行转印的转印电极4A，和中和转印纸P，从而把转印纸P与感光鼓1分开的分离电极4B。在本实施例中，假定感光鼓1的旋转方向是副扫描方向，并且感光鼓1的轴向(长度方向)是主扫描方向。

为了形成图像，充电单元2首先均匀地使感光鼓1的表面带电。根据扫描器从原稿读出的图像数据，从曝光单元10发出激光，在感光鼓1上形成潜像。潜像由显影单元3反转显影，在感光鼓1上形成墨粉图像。从供纸单元(未示出)供给的转印纸P被传送到转印位置。

转印电极4A把转印纸P压在感光鼓1的显影面上。因此，使转印纸P带电，感光鼓1上的墨粉图像吸附到转印纸P上。按照这种方式完成转印。分离电极4B中和带电的转印纸P，从而把转印纸P和感光鼓1分开。定影单元(未示出)随后通过对转印纸P加热和加压，把墨粉图像定影在转印纸P上。转印纸P由传送辊输送。清洁器5清除感光鼓1上的残留墨粉。电荷中和单元6中和感光鼓1，使其表面均匀。从而，结束用于形成图像的一系列步骤。

就数字成像设备，例如数字复印机和打印机来说，为了形成图像，通常通过利用激光扫描感光鼓来完成曝光。图2是表示包括在曝光单元10中的激光扫描光学系统的例子的透视图。

如图2中所示，激光扫描光学系统包括具有两个发光元件11a和11b的激光光源11，准直透镜12，狭缝13，柱面透镜14，多面反射镜15，fθ透镜16，柱面透镜17，反射镜18，和水平同步传感器19。包括在激光光源11中的两个发光元件11a和11b是半导体激光器，它们的排列方向与副扫描方向成θ角。后面将详细说明如何计算θ角。反射镜18和水平同步传感器19被设置在离开感光鼓1上将形成图像的区域的位置处。

根据本发明的激光光学单元包括图2中所示的激光光源11，准直透镜12和狭缝13。根据本发明的激光光学设备包含这种激光光学单元和多面反射镜15。

分别从发光元件11a和11b发射出的两个光束由准直透镜12准直。通过准直透镜12的两个光束的传播由在感光鼓1上形成束斑的狭缝13限制。通过狭缝13的所述两个光束由柱面透镜14射向旋转多面反射镜15的镜面，并从所述镜面被反射。从而，使所述两个光束偏转。多面反射镜15的反射镜面可被看作虚拟光源。从所述虚拟光源到感光鼓1的表面的距离取决于反射镜面的方向，从而，用fθ透镜16补偿从虚拟光源发出的光束对主扫描速度的影响。

通过fθ透镜16的两个光束由柱面透镜17射向感光鼓1。射向感光鼓1的两个光束被表示成图2中所示的扫描线La和Lb。如图2中所示，从多面反射镜15反射的两个光束的一部分被反射镜18反射。反射镜18反射的这两个光束由水平同步传感器19检测。根据检测结果确定利用这两个光束开始曝光的位置。在包括图2中所示的曝光单元10的成像设备100中，通过旋转多面反射镜15执行扫描曝光(主扫描)，通过旋转感光鼓1执行副扫描。从而，形成图像。

图2中，具有八个镜面的多面反射镜15被用作通过使用通过狭缝13的两个光束，沿主扫描方向扫描的扫描器。但是，扫描器的镜面的数目没有特殊限制。

图3是表示激光光源11，准直透镜12和狭缝13的相对位置的图。如图3中所示，在从激光光源11发射出的两个光束通过准直透镜12之后，这两个光束中的主要光线彼此相交。如果它们之间的角度为2α，包括在激光光源11中的两个发光元件之间的距离为d，并且准直透镜12的焦距为f，那么下述关系式成立：

sinα＝d/(2·f)                    (1)

其中|α|＜＜1。通常狭缝13位于准直透镜12像侧的焦点附近。

从激光光源11发射出的两个光束的特性非常一致，它们高度相干。于是，在这两个光束彼此相交的区域中出现干涉条纹。图4A表示两个平面波的干涉。下面，这两个平面波分别被称为平面波1和2。如果平面波1和2的强度分别为I₁和I₂，并且平面波1和2的波数矢量(三维矢量)分别为k₁和k₂，那么通过组合平面波1和2而获得的缔合波(associated wave)的强度I由下式给出：

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1\·I_2}\cos [(k_1-k_2)\·r+{\mathrm{\φ}}_{10}-{\mathrm{\φ}}_{20}]---\left(2\right)$

这里矢量r是所述两个平面波所存在的三维空间中的任意方向矢量(x，y，z)，Φ₁₀是平面波1的初始相位，Φ₂₀是平面波2的初始相位。如果平面波1和2的波长都为λ，那么平面波1和2的波数矢量的绝对值满足等式：

$\left|k_1\right|=\left|k_2\right|=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

等式(2)给出的缔合波对应于驻波，其频率恒定，其振幅根据位置而变化。获得相同振幅和相同强度的位置由等式(4)所给出的矢量指示，并且在与所述两个平面波的传播方向的二等分线垂直的一组平面上。

K＝k₁-k₂                        (4)

图4B表示波数矢量k₁和k₂与矢量K之间的关系。缔合波上获得相同振幅和相同强度的位置之间的距离Λ由下式给出：

$\mathrm{\Λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\left|K\right|}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\α}}---\left(5\right)$

图5A-5C表示在单一激光(一个光束)通过狭缝13的情况下，在狭缝13表面上的强度的分布。图5A表示x轴方向(沿狭缝13的纵向)的强度分布。图5B表示y轴方向(垂直方向)的强度分布。这种情况下，x轴方向对应于主扫描方向，y轴方向对应于副扫描方向。如图5A和5B中所示，如果使用单一激光，那么在中部获得最大的强度，强度分布形成光滑的曲线。于是，如图5C中所示，在狭缝表面(x-y平面)上的强度分布中，不出现干涉条纹。另一方面，如果两个激光(两个光束)通过狭缝13，那么这些激光相互干涉。因此，在狭缝表面上获得图6A或6B中所示的强度分布，在一个周期的Λ(由等式(5)给出)中，出现干涉条纹。

只有部分干涉条纹通过狭缝13。于是，当由于激光光源11的不稳定激光振荡，干涉条纹的分布发生变化时，通过狭缝13的光量(quantity of light)发生变化。图7表示狭缝13的副扫描方向的宽度w与干涉条纹周期Λ的比值(w/Λ)和对比度C之间的关系，对比度C是变化量与通过狭缝13的光量的平均值的比值。实际上，从激光光源11发出的两个光束在光量方面可以稍微不同，从而对比度C的最大值小于1，对比度C的最小值大于0。

根据等式(1)和(5)，w/Λ由下式给出：

w/Λ＝(w·d)/(f·λ)                (6)

在本实施例中，假定在狭缝13的副扫描方向上的宽度w(下面称为“狭缝宽度”)为0.58毫米，包括在激光光源11中的两个发光元件之间的距离d为14微米，准直透镜12的焦距f为12毫米，激光的振荡波长λ为780纳米。这种情况下，w/Λ＝(w·d)/(f·λ)＝0.868。在图7中，当w/Λ＝0.868时，C的值约为0.15，光量的变化稍低于30％。实际上，在整个为黑色的图像上有时出现不规则的白线，导致图像质量降低。从图7中可看出，当w/Λ的值接近1时，对比度C的值变得更小。这意味着能够降低光量的变化。

因此，如图2中所示，发光元件11a和11b的排列方向相对于副扫描方向倾斜θ角。这样，如图8中所示，有效狭缝宽度相对于干涉条纹周期扩展。有效狭缝宽度w′由下式给出

w′＝w/cosθ                                                  (7)

通过倾斜狭缝13，能够实现和等式(7)获得的效果同样的效果。但是，束斑的直径变化，从而这种方法并不恰当。

图9表示发光元件11a和11b的排列方向的倾斜角θ与整个为黑色的图像上不规则白线的出现之间的关系。从图9可看出，如果倾斜角θ≥6°，那么不会出现不规则的白线。如果θ＝6°，那么(w′·d)/(f·λ)＝0.872，对比度C＝0.14。这种情况下，光量的变化低于25％。即，如果倾斜角θ满足下述不等式，那么在整个为黑色的图像上不会出现不规则的白线。

(w·d)/(f·λ·cosθ)≥0.872                    (8)

在本实施例中，θ＝10°。于是，(w·d)/(f·λ·cosθ)＝0.881。该值满足不等式(8)，从而在整个为黑色的图像上不会出现不规则的白线。

顺便地，感光鼓1上的束斑的相对位置根据发光元件11a和11b的排列方向相对于副扫描方向倾斜的角度而变化。图10A表示如果发光元件11a和11b的排列方向近似平行于副扫描方向，所获得的束斑的相对位置。图10B表示如果发光元件11a和11b的排列方向相对于副扫描方向倾斜θ角，所获得的束斑的相对位置。通过调整借助其调制每个激光的图像数据的时间，能够控制束斑之间主扫描方向上的距离。

束斑之间副扫描方向上的距离被称为副扫描间距。如果发光元件11a和11b的排列方向近似平行于副扫描方向，那么发光元件11a和11b间的距离d与副扫描间距p之间的关系由下式给出：

p＝β·d                                        (9)

其中β是激光扫描光学系统的副扫描方向上的放大倍率。

如果发光元件11a和11b的排列方向相对于副扫描方向被倾斜θ角，那么副扫描间距p₁由下式给出：

p₁＝β·d·cosθ                                                               (10)

图11表示由对应于从发光元件11a和11b发出的光束的束斑形成的扫描线(实线)。如图11中所示，对应于从相同发光元件发出的光束的束斑之间的扫描间距为2·p，与发光元件11a和11b的排列方向是否相对于副扫描方向被倾斜无关。于是，如图11中所示，与从相同发光元件发出的光束对应的束斑之间的扫描间距2·p等于副扫描间距p₁和p₂之和。即，p₂由下式给出：

p₂＝2·p-p₁                                  (11)

当图11中所示的p₁和p₂之间的差异变大时，产生密度(density)方面的定期变化。这导致图像质量降低。(p₁-p₂)和图像质量的降低之间的关系的实际检查表明当(p₁-p₂)大于或等于等式(9)给出的副扫描间距p的四分之一时，在图像中出现显著的缺陷，比如密度或莫尔条纹(moiré)的周期变化。假定副扫描间距变化由(p₁-p₂)/(p₁+p₂)给出。当p₁-p₂＝(1/4)·p时，副扫描间距变化为0.125。另外，确定当副扫描间距变化小于或等于0.1时，在图像中不会出现缺陷。该条件可被写为：

(p₁-p₂)/(p₁+p₂)≤0.1             (12)

即，根据等式(9)、(10)和(11)，以及不等式(12)，如果发光元件11a和11b的排列方向相对于副扫描方向倾斜的角度θ满足下述不等式，那么不会发生密度的周期变化：

cosθ≥0.9                            (13)

于是，根据不等式(8)和(13)，倾斜角θ应满足下述不等式，以控制由多个激光的干涉所引起的密度的不规则变化，以及由副扫描间距的变化所引起的密度的规则变化。

0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)     (14)

在本实施例中，6°≤θ≤25°的范围满足不等式(14)。不等式(14)指示的条件不是物理条件，而是用于设计激光扫描光学系统的光学条件。

2005年4月20日申请的日本专利申请No.Tokugan 2005-122174的整个公开内容，包括说明书、权利要求、附图和摘要在此整体引为参考。

Claims (5)

1、一种激光光学单元，所述激光光学单元将被装入具有沿主扫描方向扫描光束的扫描器的激光光学设备中，所述激光光学单元包含：

包括两个发光元件的激光光源，一个发光元件发光的时间与另一发光元件发光的时间重叠；

为从激光光源发出的两个光束设置的准直透镜；和

为所述两个光束设置的狭缝，用于限制从准直透镜输出，并且输入到扫描器中的两个光束的传播，

其中

0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)

这里θ(°)是所述两个发光元件的排列方向与副扫描方向相遇的角度，d(微米)是所述两个发光元件之间的距离，λ(纳米)是激光的波长，f(毫米)是准直透镜的焦距，w(毫米)是狭缝的宽度。

2、按照权利要求1所述的激光光学单元，其中狭缝的纵向方向对应于主扫描方向。

3、一种激光光学设备，包括：

包含两个发光元件的激光光源，一个个发光元件发光的时间与另一发光元件发光的时间重叠；

为从激光光源发出的两个光束设置的准直透镜；

为所述两个光束设置的狭缝，用于限制从准直透镜输出的两个光束的传播；和

为所述两个光束设置的一个扫描器，用于沿主扫描方向扫描通过狭缝的所述两个光束，

其中激光光源被这样设置，使得满足不等式

0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)

这里θ(°)是所述两个发光元件的排列方向与副扫描方向相遇的角度，d(微米)是所述两个发光元件之间的距离，λ(纳米)是激光的波长，f(毫米)是准直透镜的焦距，w(毫米)是狭缝的宽度。

4、按照权利要求3所述的激光光学设备，其中狭缝的纵向方向对应于主扫描方向。

5、一种包含按照权利要求3所述的激光光学设备的成像设备。

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