CN1991617A - 激光扫描光学系统及图像形成装置 - Google Patents

Abstract

本发明的激光扫描光学系统，通过准直透镜将从激光二极管(LD)发出的多条光束变为平行光，通过窗孔对其进行整形，在感光体滚筒上同时进行多条线的曝光。为了使由光学系统的放大倍数唯一决定的必要发光点间距(d)与使用的激光二极管(LD)的发光点间隔一致，而使激光二极管(LD)相对于其主光轴面旋转角度(θ)。具有转换此时从激光二极管(LD)射出的光束的轮廓的纵横比的转换元件。转换元件的转换特性与光学系统的特性相配合以符合既定范围的条件。

Description

激光扫描光学系统及图像形成装置

技术领域

本发明涉及激光扫描光学系统、及使用了该光学系统的图像形成装置，更详细地说，本发明涉及应用于光扫描装置的激光扫描光学系统，所述光扫描装置用于例如数字复合机和打印机、传真机等电子照相方式的图像形成装置中。

背景技术

数字复印机、激光打印机、或传真机等图像形成装置已经普及。在这样的图像形成装置中，使用具有扫描激光束的激光扫描光学系统的光扫描装置。在用图像形成装置形成图像的情况下，借助带电装置使作为图像载体的感光体滚筒带电后，借助光扫描装置进行与图像信息相对应的写入，在感光体滚筒上形成静电潜像。然后，借助从显影装置供给的调色剂，使感光体滚筒上的静电潜像显影化。然后，通过转印装置将感光体上显影化的调色剂像转印到记录纸上，进而通过定影装置在记录纸上定影，由此得到期望的图像。

在使用了上述那样的光扫描装置的图像形成装置中，要求动作的高速化和信息处理的大容量化。为了实现这样的要求，例如考虑采用增加多面反射镜的旋转速度或像素钟频率的方案。

此外，下述光扫描装置也已实用化：通过将多条激光束(多条光束)同时照射到感光体滚筒上并进行扫描，可同时对多条扫描线进行曝光，以使图像形成速度提高。通过用多条光束同时写入多条扫描线，能提高写入速度。

目前，通常将上述那样的多面反射镜的旋转速度和像素钟频率设定成接近极限值，事实上难以使该旋转速度和像素钟频率进一步增大。

与此相对，上述那样的借助多条光束对感光体同时照射多条激光束的方式，即便是高分辨率也能高速进行图像形成，从而可靠性较高，特别是在高速型的图像形成装置中采用该方式。

在使用多条激光束同时对多条扫描线进行曝光的光学系统中，作为其激光发光源，使用具有多个发光点的多发光点型的激光二极管(LD)。例如在特开2003-69152号公报中，公开有多光束的LD元件的一例。在此，公开有下述方案：在蓝宝石基板上的既定高度上，与该蓝宝石基板平行的四个活性区域以最小16μm的间距整齐排列。

另一方面，需要使感光体上的副扫描方向线间距与副扫描方向分辨率的整数倍一致。在使用上述那样的多发光点型LD时，感光体上的副扫描方向线间距由LD的发光点的配置间距、和从LD到感光体在副扫描方向上的放大倍数唯一决定。

但是，从LD到感光体在副扫描方向上的放大倍数是由该光扫描装置所具有的光学系统决定的，此外，LD的发光点的配置间距由半导体工艺决定。即，在如上所述那样感光体上的副扫描方向的线间距与副扫描方向分辨率的整数倍一致时，由于光学系统中使用的元件和部件的规格及它们的配置结构的制约、或所能得到的LD的规格等的制约，不一定能得到能充分满足的结构。

对于使感光体上的副扫描方向的线间距与副扫描方向分辨率的整数倍一致的要求，已知有下述方法：使多发光点型的LD相对于主扫描面(即光主轴面)旋转，设定成使LD的发光点的排列方向相对于主扫描面倾斜的状态，由此将感光体上的副扫描方向的线间距设成期望的值。

例如，以目前通常的像素密度(分辨率)、即600dpi进行图像形成时，其扫描线间隔(副扫描方向的线间距)D为42.3μm。在此，使用例如上述特开2003-69152号公报中记载的LD元件时，其发光点间隔最小也为16μm。因此，若使用该LD，则需要将扫描光学系统的副扫描放大倍数设定为42.3/16的整数倍，以便与扫描线间隔一致，这会产生下述问题，即，光学设计上存在较大制约。

在这样的情况下，通过使LD元件相对于其主光轴面(主扫描面)旋转角度θ，使表观上的副扫描方向的发光点间距与上述必要的发光点间隔d一致。

作为用于光扫描装置的扫描光学系统中的LD，通常从成本和输出功率的观点出发使用端面发光型LD。端面发光型LD从其构造来说，发光轮廓为椭圆形。图10示意性表示从为端面发光型且具有一个发光部121的激光二极管(LD)101发出的激光束122的发光轮廓。端面发光型的LD101，由于其像散的原因，射出相对于纵长的发光部121来说具有横长的发光轮廓的激光束122。作为一例，激光从该LD101扩散的扩散角度，在椭圆轮廓的长圆方向上为30°，在短圆方向上为11°。

上述那样的现象在上述那样的多发光点型的LD中也同样存在，多个发光束的轮廓为椭圆轮廓。图11示意性表示从为端面发光型且具有两个发光部121的激光二极管(LD)101发出的激光束122的发光轮廓。

使用上述那样的多发光点型LD101，若为了使感光体上的线间距与期望的值一致而使该LD101相对于其光轴旋转，则如图11所示，其发光轮廓也同时旋转。

在使用发光部为一个的单发光点LD的激光扫描光学系统中，通常，用准直透镜将由LD发出的激光束转换成大致平行光，然后借助窗孔进行光束整形，使其成为在主扫描方向上较长的形状。

为了通过规定光束在主扫描方向上的宽度而确定感光体上的主扫描方向的光束直径，而设置窗孔。在窗孔部，若减小光束的主扫描方向的宽度，则感光体上的主扫描方向光束直径变大。

此时，为了减少窗孔的遮蔽，而以LD的椭圆轮廓的长轴为大致主扫描方向的方式配置LD。图12示意性表示此时的窗孔和发光轮廓之间的关系。图中，103是窗孔，122是具有椭圆形发光轮廓的激光束。

另一方面，在多发光点型的LD中，如上所述，其旋转方向确定成，使得感光体上的副扫描方向的线间距与期望的值一致。

若进行LD的旋转，则窗孔的长轴方向和LD的发光轮廓的长轴方向变得不一致。此时，有时会由于准直透镜的焦距f，而产生光束宽度不足窗孔宽度的情况。

图13示意性表示此时的一个激光束122和窗孔103之间的关系。

在这样的情况下，通过增大准直透镜的焦距f，能将窗孔位置处的主扫描方向上的光束宽度设定得比窗孔的纵长方向的宽度大。但是在这种情况下，与主扫描方向同时，副扫描方向的光束宽度也变大，所以窗孔的遮蔽也变大，通过窗孔的光束功率变小，即，发出的激光束的利用效率变差，发光能量的传递效率降低。

由此，为了确保感光体上的照射功率，需要大功率的LD，由此会有消耗能量的增加、因散热而引起的不良影响的产生、以及高输出LD特有的开关时间变慢等诸多问题。

此外，由于从窗孔射出的光束的功率与LD的旋转角度相应地变化，所以在例如修正LD旋转角以便修正由于温度变化而变动的放大倍数等情况下，还存在功率与LD的旋转一起变化的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光扫描光学系统、及具有该光学系统的图像形成装置，其能改善从激光二极管(LD)到感光体的能量传递效率，且抑制由LD的旋转引起的功率变动，从而具有高效率和高可靠性的激光扫描特性。

本发明另一目的在于提供一种激光扫描光学系统，具有：半导体激光器、将从半导体激光器射出的多条光束分别转换成平行光的准直透镜、和用于规定图像载体上的光束的光斑直径的窗孔，扫描从该准直透镜射出的光束，在图像载体上对多条线同时曝光，其特征在于，激光扫描光学系统具有转换元件，转换从半导体激光器射出的光束的轮廓的纵横比，转换元件转换多条光束，在将主扫描方向设为扫描光学系统的光束扫描方向、将副扫描方向设为与主扫描方向正交的方向的情况下，

[式1]

$\mathrm{Am}<\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\&perp;}^2}+\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

[式2]

$\mathrm{As}<\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\&perp;}^2}+\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

[式3]

$L=\mathrm{\&Delta;}\left|\right|\&times;\mathrm{\&beta;}\&times;\frac{\mathrm{fB}}{\mathrm{fA}}\&times;\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}$

[式4]

$m\&perp;=2\&times;\mathrm{fA}\&times;\tan (\mathrm{\&Delta;}\&perp;\frac{\mathrm{\&alpha;}\&perp;}{2})$

[式5]

$m\left|\right|=2\&times;\mathrm{fA}\&times;\tan \left(\mathrm{\&Delta;}\right|\left|\frac{\mathrm{\&alpha;}\left|\right|}{2}\right)$

其中，Am为窗孔在主扫描方向上的宽度，

As为窗孔在副扫描方向上的宽度，

m⊥为椭圆形光束的长轴方向直径，

m‖为椭圆形光束的短轴方向直径，

fA为准直透镜的焦距，

fB为后焦距透镜的焦距，

α⊥为相对于半导体激光器的发光点排列垂直的方向上的发散角，

α‖为相对于半导体激光器的发光点排列平行的方向上的发散角，

β为半导体激光器的发光点的配置间隔，

θ′为半导体激光器的发光点排列方向和主扫描面所成的旋转角度，

Δ⊥为与相对于半导体激光器的发光点排列垂直的方向相对应的转换元件的转换系数，

Δ‖为与相对于半导体激光器的发光点排列平行的方向相对应的转换元件的转换系数，

L是副扫描方向的曝光光束的线间距。

本发明另一目的在于提供一种激光扫描光学系统，其特征在于，前述准直透镜具有变形形状从而起到转换元件的作用，转换从半导体激光器射出的光束的轮廓的纵横比，并且将该光束转换成平行光。

本发明另一目的在于提供一种激光扫描光学系统，其特征在于，前述准直透镜被调整成与半导体激光器的倾斜角(θ)相同的倾斜角，以便调整图像载体上的副扫描方向间距。

本发明另一目的在于提供一种激光扫描光学系统，其特征在于，前述转换元件设置在准直透镜和半导体激光器之间的光路上。

本发明另一目的在于提供一种激光扫描光学系统，其特征在于，前述转换元件设置在准直透镜和窗孔之间的光路上。

本发明另一目的在于提供一种激光扫描光学系统，其特征在于，前述转换元件被调整成与半导体激光器的倾斜角相同的倾斜角，以便调整图像载体上的副扫描方向间距。

本发明另一目的在于提供一种激光扫描光学系统，其特征在于，前述多条光束是一个具有多个发光点的半导体激光器、或者多个具有一个发光点的半导体激光器的出射光束。

本发明另一目的在于提供一种图像形成装置，其特征在于，具有前述激光扫描光学系统和感光体，借助激光扫描光学系统在感光体上形成潜像，通过将该潜像显影化而进行图像形成。

附图说明

图1是表示本发明的图像形成装置的一实施方式的图。

图2A及图2B是用于说明一次光学系统及二次光学系统的各颜色光束的状态的图。

图3是用于对由两个透镜构成的光学系统进行说明的图。

图4是用于说明端面发光型激光二极管的激光束的截面轮廓的图。

图5A及图5B是用于对转换元件的构成例及功能进行说明的图。

图6是用于说明使用了多个具有单一发光点的激光二极管的激光光源的构成例的概略图。

图7表示通过准直透镜将从多发光点型LD发出的光束变成平行光、并用窗孔将其整形的光学系统的模拟结果的一例。

图8表示对进行了图7的模拟的光学系统中必要的准直透镜焦距进行计算所得的表格。

图9表示将图8中的转换系数Δ⊥设为1而使转换系数Δ‖变化时与准直透镜的焦距之间的关系，其中该关系被曲线化。

图10示意性表示从为端面发光型且具有一个发光点的激光二极管发出的激光束的发光轮廓。

图11示意性表示从为端面发光型且具有两个发光点的激光二极管发出的激光束的发光轮廓。

图12是示意性表示窗孔和发光轮廓之间的关系的图。

图13是示意性表示使激光二极管旋转时的一条激光束和窗孔之间的关系的图。

具体实施方式

首先，对应用本发明的激光扫描光学系统的图像形成装置的构成例进行说明。

图1是表示本发明的图像形成装置的一实施方式的图。图像形成装置根据从外部传递来的图像数据，在既定的片材(记录纸)上形成多色及单色的图像。如图所示，具有曝光单元1、显影器2、感光体滚筒3(3(K)、3(C)、3(M)、3(Y))、清洁单元4、带电器5、中间转印带单元6、定影单元7、供纸盒8、排纸托盘9、原稿读取装置(扫描单元)13等。图像形成装置能在片材等介质上将由原稿读取装置13的扫描器读取的原稿图像信息形成为图像。此外，也能将从与图像形成装置连接的外部设备等输入的图像信息形成为图像。

另外，本图像形成装置中处理的图像数据与使用了黑色(K)、青色(C)、品红色(M)、黄色(Y)这各种颜色的彩色图像对应。因此，显影器2、感光体滚筒(图像载体)3、带电器5、清洁单元4分别设置有4个，以便形成与各颜色对应的4种潜像，分别设定为黑色、青色、品红色、黄色，它们构成四个图像站。

此外，在本实施方式中，与上述黑色、青色、品红色、黄色对应的感光体滚筒3中，对应于黑色的感光体滚筒3(K)与其他感光体滚筒3(3(C)、3(M)、3(Y))相比具有更大的直径(例如两倍的直径)。通过仅将黑色用的感光体滚筒3(K)大径化，可使使用频率高的单色图像形成高速化，此外，可使得使用频率不同的感光体的更换周期相同，能合理地使用各颜色用的感光体。

在本实施方式中，对下述例子进行说明，即，相对于与上述黑色、青色、品红色、黄色对应的感光体滚筒3，分别一边扫描一条光束，一边形成潜像，但是也可采用其他方案，例如，仅黑色用的感光体滚筒3(K)的曝光光束采用双光束方式(使用两条光束，同时进行两列主扫描)，实现黑色的高速化。

此外，在如上述那样仅使黑色的感光体滚筒3(K)大径化的情况下，为了在形成彩色图像时高精度地执行使用各颜色用的所有感光体之际的“相位控制”，优选将黑色用的感光体的直径设为其他颜色(青色、品红色、黄色)用的感光体滚筒3(C)、3(M)、3(Y)的直径的整数倍。

此外，在本实施方式中，扫描各感光体滚筒3的光束的光轴、与该感光体滚筒3的表面和上述光束光轴的交点处的感光体滚筒3表面切线所成的角度设定为，在多个感光体滚筒3中彼此相等。

带电器5是使感光体滚筒3的表面以既定的电位均匀带电的带电机构，如图1所示，除了接触型的辊型或刷型带电器外，也可使用充电器型的带电器。

曝光单元1相当于具有本发明的激光扫描光学系统的光扫描装置，如图1所示，构成为具有激光照射部及反射镜的激光扫描单元(LSU)。曝光单元1配置有扫描激光束的多面反射镜201、用于将被多面反射镜201反射后的光束引导到感光体滚筒3上的透镜或反射镜等光学元件。构成曝光单元1的光扫描装置的结构在后面详细进行说明。此外，还有下述方案：曝光单元1使用将发光元件排列成矩阵状的例如EL或LED写入头。

曝光单元具有下述功能，即，通过与输入的图像数据相对应地对带电的感光体滚筒3进行曝光，在其表面形成与图像信息对应的静电潜像。显影器2利用4种颜色(YMCK)的调色剂使形成在各感光体滚筒3上的静电潜像显影化。此外，清洁单元除去·回收残留在显影·图像转印后的感光体滚筒3表面上的调色剂。

配置在感光体滚筒3上方的中间转印带单元6具有：中间转印带61、中间转印带驱动辊62、中间转印带从动辊63、及中间转印带清洁单元64等。

中间转印带驱动辊62和中间转印带从动辊63架设中间转印带61，驱动其向箭头M方向旋转。

中间转印带61以与各感光体滚筒3接触的方式设置。具有下述功能，即，通过将形成于感光体滚筒3的各颜色调色剂像依次重叠转印到中间转印带61上，而在中间转印带61上形成彩色的调色剂像(多色调色剂像)。中间转印带61使用厚度为100μm～150μm左右的薄膜形成为环状。此外，在中间转印带61的上方设置有各颜色用的调色剂盒，对感光体滚筒3供给调色剂。

从感光体滚筒3向中间转印带61进行的调色剂转印，是借助与中间转印带61的背面侧接触的未图示的中间转印辊进行的。在中间转印辊上，外加有高电压的转印偏压(与调色剂的带电极性(-)相反极性(+)的高电压)，以便转印调色剂像。中间转印辊例如是以直径为8～10mm的金属(例如不锈钢)轴为基架、其表面由导电性弹性材料(例如EPDM、发泡聚氨酯等)覆盖的辊。借助该导电性的弹性材料，可对中间转印带61均匀地外加高电压。在本实施方式中，采用滚筒形状的电极作为转印电极，但除此之外也可使用刷等。

如上所述，在各感光体滚筒3上与各颜色像对应地显影化的静电像在中间转印辊61上层叠。层叠的图像信息通过中间转印带61的旋转，由配置在后述纸和中间转印带61的接触位置上的转印辊10转印到纸上。

此时，中间转印带61和转印辊10以既定辊隙压接，并且，在转印辊10上外加用于使调色剂转印到纸上的电压(与调色剂的带电极性(-)相反极性(+)的高电压)。进而，转印辊10，为了始终得到上述辊隙，转印辊10和前述中间转印带驱动辊62中的某一者采用硬质材料(金属等)，另一者采用弹性辊等软质材料(弹性橡胶辊、或发泡性树脂辊等)。

此外，如上所述，通过与感光体滚筒3接触而附着到中间转印带61上的调色剂、或未被转印辊10转印到纸上而是残留在中间转印带61上的调色剂，会导致在下一工序中产生调色剂的混色，所以设定成，通过中间转印带清洁单元64除去·回收该调色剂。在中间转印带清洁单元64中，作为与中间转印带61接触的清洁部件，例如具有清洁刀片，清洁刀片接触的中间转印带61从背面侧被中间转印带从动辊63支承。不要的废调色剂被收纳到废调色剂盒15中。

供纸盒8(8a、8b、8c、8d)是用于预先储存在图像形成中使用的片材(记录纸)的托盘，在图像形成装置的曝光单元1下侧设置有多个。此外，设置在图像形成装置上部的排纸托盘9是用于以面朝下的方式收集印刷完的片材的托盘。

此外，在图像形成装置中，设置有用于将供纸盒8的片材经由转印辊10和定影单元7送到排纸托盘9中的纸输送通路S1。在从供纸盒8到排纸托盘9的纸输送通路S1附近，配置有拾取辊11、校准调节辊12、转印辊10、定影单元7等。

拾取辊11配置在供纸盒8的端部附近，从供纸盒8一张张拾取片材，供给到纸输送通路S1。

此外，校准调节辊12暂时保持在纸输送通路S1中输送的片材。具有下述功能：在感光体滚筒3上的调色剂像的末端和片材的末端一致的时刻，将片材输送到转印辊10。

定影单元7具有加热辊71及加压辊72，加热辊71及加压辊72夹着片材旋转。此外，加热辊71，基于来自未图示的温度检测器的信号，由控制部设定为既定的定影温度，具有下述功能，即，与加压辊72一起将调色剂热压接到片材上，由此将转印到片材上的多色调色剂像熔融·混合·压接，并使其热定影在片材上。

接着，对片材输送路径进行说明。如上所述，在图像形成装置中，设置有预先收纳片材的多个供纸盒8(8a、8b、8c、8d)。为了从供纸盒8供给片材，而分别配置拾取辊11，将片材一张张导入纸输送通路S1。

从供纸盒8输送的片材被输送到校准调节辊12，在片材的末端和中间转印带61上的图像信息的末端吻合的时刻，输送到转印辊10，向片材上写入图像信息。此后，片材通过定影单元7，借助热量使片材上的未定影调色剂熔融·固结，然后排出到排纸托盘9上。

上述输送路径是要求对片材进行单面印字时的输送路径，但是，与此相对，在要求双面印字时，将如上所述单面印字结束并通过定影单元7后的片材向反方向输送，导入到输送通路S2，经由校准调节辊12在片材的背面进行印字后，片材被排出到排纸托盘9上。

接着，具体说明上述图像形成装置所具有的光扫描装置的激光扫描光学系统的实施方式。具有本实施方式的激光扫描光学系统的光扫描装置可用于下述串联方式的图像形成装置中，所述图像形成装置借助多条光束对各感光体滚筒3同时进行扫描曝光，在各感光体滚筒3上形成相互不同颜色的图像，通过使各颜色的图像重合于同一转印介质上，而形成彩色图像。

在本实施方式中，作为用于对至少一个感光体滚筒进行扫描曝光的激光二极管101，使用具有多个发光点、能将多条激光束(多条光束)同时照射到感光体滚筒上并进行扫描的激光二极管。

如上所述，在图像形成装置中，大致等间隔地配置有黑色(K)图像形成用的感光体滚筒、青色(C)图像形成用的感光体滚筒、品红色(M)图像形成用的感光体滚筒、黄色(Y)图像形成用的感光体滚筒。串联方式的图像形成装置同时形成各颜色的图像，所以能大幅缩短彩色图像形成所需的时间。此外，在本例中，黑色(K)图像形成用的感光体滚筒的直径为其他颜色图像形成用的感光体滚筒直径的两倍，所以能提高使用频率高的单色图像形成时的图像形成速度。

另外，以下用K、C、M、Y分别代表黑色、青色、品红色、黄色。

用于将感光体滚筒3曝光的本发明的光扫描装置包括分别单元化了的一次光学系统(入射光学系统)和二次光学系统(出射光学系统)。一次光学系统具有：分别射出YMCK用的光束的四个半导体激光器、将这些光束引导到二次光学系统的多面反射镜201(旋转多面镜)的反射镜及透镜等光学元件。此外，二次光学系统具有：在作为被扫描体的感光体滚筒3上扫描激光束的上述多面反射镜201、用于将由多面反射镜201反射后的光束引导到感光体滚筒3上的透镜和反射镜等光学元件、及检测光束的BD传感器等。此外，上述多面反射镜201采用各颜色通用的结构。

下面，对上述实施方式中各光学元件间的各颜色用光束的状态进行说明。图2A及图2B是用于说明上述一次光学系统及二次光学系统的各颜色光束状态的图，图2A是示意性表示主扫描方向上的一条光束的形状的图，图2B是示意性表示副扫描方向上的一条光束的形状的图。

首先，说明图2A所示主扫描方向的光束的变化过程。从一次光学系统的激光二极管101射出的多条光束分别以扩散光的形式入射到准直透镜102。在此时的主扫描方向上，来自激光二极管101的扩散光的角度例如为大约30°。

准直透镜102将入射的扩散光转换成平行光而射出。在准直透镜102后，设置有窗孔103，借助该窗孔103的开口限制光束的直径。窗孔103在主扫描方向上的开口直径在此为大约7mm。

从窗孔103射出的平行光光束由未图示的反射镜等调整光路后，入射到一次光学系统的柱面透镜112。由于一次光学系统的柱面透镜112在主扫描方向上没有透镜光学能力，所以在此入射后的平行光以原来的状态通过。

从柱面透镜112射出的平行光光束经由未图示的反射镜等入射到多面反射镜201的反射面上。如图所示，多面反射镜201的反射面随着其旋转而在主扫描方向上改变角度。

由多面反射镜201反射的平行光光束一边以等角速度沿主扫描方向移动一边入射到第1fθ透镜202，进而入射到第2fθ透镜203。第1fθ透镜202及第2fθ透镜203在主扫描方向上具有透镜光学能力，将以平行光入射的光束转换成会聚于感光体滚筒3表面的会聚光。此外，对以等角速度在主扫描方向上移动的光束进行转换，使其在感光体滚筒3表面的扫描线上以等线速度移动。

第2fθ透镜203是辅助第1fθ透镜202的透镜，进一步修正从第1fθ透镜202射出的光束，使光束呈现出期望的变化。

此外，在上述第2fθ透镜203和感光体滚筒3之间的光路上，设置有：用于将各颜色光的光路折返而引导到目标感光体滚筒3上的反射镜(每种颜色有一个或多个反射镜)(在图2A中未图示)、和二次光学系统的柱面透镜220。由于柱面透镜220在主扫描方向上不具有透镜光学能力，所以从第2fθ透镜203射出的光束在主扫描方向上不受作用，而是朝向感光体滚筒3。此时，感光体滚筒3上的主扫描方向的光束的光斑直径例如为大约60μm。

接着，说明图2B所示的副扫描方向上的一条光束的变化过程。从激光二极管101射出的多条光束分别与主扫描方向一样以扩散光的形式入射到准直透镜102。在此时的副扫描方向上，来自激光二极管101的扩散光的角度比主扫描方向上小，例如为大约11°。

准直透镜102将入射的扩散光转换成平行光而射出。在准直透镜102后，设置有窗孔103，通过其开口限制光束的直径。窗孔103的开口直径在此为大约2mm。

从窗孔103射出的平行光的光束经未图示的反射镜等入射到一次光学系统的柱面透镜112。由于一次光学系统的柱面透镜112在副扫描方向上具有透镜光学能力，所以入射的平行光被转换成大致会聚于多面反射镜201的反射面上的会聚光。在此，从柱面透镜112射出的平行光的光束经由未图示的反射镜等入射到多面反射镜201的反射面上。在副扫描方向上，使光束会聚于反射面的高度方向的大致中央。此时，通过预先在多面反射镜201的反射面和感光体滚筒3表面之间形成共轭关系，来修正反射面的面歪斜(面倒れ)。

由多面反射镜201反射的光束成为扩散光，入射到第1fθ透镜202，进而入射到第2fθ透镜203。由于第1fθ透镜202在副扫描方向上具有不透镜光学能力，所以入射到第1fθ透镜202的扩散光光束原样通过。

第2fθ透镜203在副扫描方向上具有透镜光学能力，在副扫描方向上将以扩散光形式入射的光束转换成平行光。

在上述第2fθ透镜203和感光体滚筒3之间的光路上，设置有：用于将各颜色光的光路折返而引导到目标感光体滚筒3上的反射镜(每种颜色有一个或多个反射镜)(在图2B中未图示)、和二次光学系统的柱面透镜220。由于柱面透镜220在副扫描方向上具有透镜光学能力，所以从第2fθ透镜203射出的平行光光束被转换成大致会聚于感光体滚筒3表面上的光。此时，感光体滚筒3上的光束的副扫描方向上的光斑直径例如为大约67μm。

在此，对本发明的激光扫描光学系统中作为特征的、转换光束轮廓的转换元件进行说明。在说明转换元件的具体构成例之前，首先参照图3对由两个透镜构成的光学系统进行说明。如图3所示，从透镜A的前焦点面射出的光通过透镜A后成为平行光。平行光入射到透镜B后，无论向透镜B入射的入射角如何，都在透镜B的后焦距面上成像。

将上述两个透镜A、B的焦距分别设为fA、fB时，由上述两个透镜A、B构成的光学系统的放大倍数N为两个透镜A、B的焦距之比、即N＝fB/fA。

因此，在由多个透镜构成的光学系统中，在其放大倍数为N的情况下，若将最初的透镜A的焦距fA变为fA′，则光学系统的放大倍数N′变为N(fA/fA′)。

在透镜A的前焦点位置、和作为后焦距透镜的透镜B的后焦距位置为光学上的共轭关系的光学系统中，若将激光二极管(LD)设置在透镜A的前焦点位置，则在透镜B的后焦距位置成像，此时的横向放大倍数与透镜A和透镜B之间的光学系统无关，为透镜A和透镜B的焦距之比。

在上述实施方式的激光扫描光学系统的构成例中，将透镜A设为准直透镜102，在该准直透镜102的前焦点位置设置有LD101，在透镜A的出射侧设置有光束整形用的窗孔103。此外，在窗孔103之后，设置有柱面透镜(CY透镜)112，所述柱面透镜(CY透镜)112仅在副扫描方向上具有光学能力，仅在副扫描方向上在多面反射镜201的表面形成焦点。

从多面反射镜201扫描反射的光束，由扫描透镜或扫描反射镜(在上述例中为fθ透镜202、203)将等角速度扫描转换成等速度扫描，并且，在主扫描方向上，在感光体(感光体滚筒3)上形成焦点。另一方面，在副扫描方向上，借助扫描透镜或扫描反射镜的超环面在感光体的表面形成焦点。

在此，在副扫描方向上，有时追加主要在副扫描方向上具有光学能力的的透镜或反射镜，由扫描透镜或反射镜的超环面的光学能力、和追加的光学元件来进行功能分担。在上述例子中，通过fθ透镜202、203和柱面透镜220，在感光体(感光体滚筒3)的表面形成焦点。

在以上的光学系统中，在主扫描方向上LD101的位置和感光体表面的曝光位置在光学上共轭，在副扫描方向上LD101的位置和多面反射镜201的大致反射位置与感光体表面的曝光位置在光学上共轭。通过在副扫描方向上使上述三个部位在光学上共轭，来修正多面反射镜201的面歪斜。

感光体上的光束斑直径由LD101的激发波长和会聚角、及波面像散决定。在用于光学系统的光学元件较理想的情况下，会聚角越小，由于激光的衍射现象，光束斑尺寸越大。

因此，为了减小光束斑尺寸以便进行高图像质量的印刷，需要缩小后焦距长度、或者增加后焦距透镜的出射侧光束直径。

图4是用于说明端面发光型的LD101的激光束的截面轮廓的图，图中，122是从LD101发出的激光束。从端面发光型的LD101发射的激光束122以其截面轮廓具有大致高斯分布G的椭圆圆锥状射出。

在此，在将LD芯片的电流方向(在具有多个发光点的LD中，相对于发光点的排列垂直的方向)设为⊥，将与⊥正交的方向(在具有多个发光点LD中，相对于发光点的排列平行的方向)设为‖时，LD出射光的发散角α‖和α⊥为α‖＜α⊥的关系。因此，相对于发光点的激光束轮廓为上述图11所示那样。在将该光学系统用于上述光扫描装置的情况下，α⊥为主扫描方向，α‖为副扫描方向。

在此，来自LD101的激光的某一截面上的轮廓用下式近似表示。

[式6]

$A\&times;\mathrm{Exp}(-{(2\&times;\frac{x}{m\&perp;})}^2-{(2\&times;\frac{y}{m\left|\right|})}^2)$

其中，m⊥为椭圆形光束的长轴方向上的直径，m‖为椭圆形光束的短轴方向上的直径。

此外，借助准直透镜102将光束变为大致平行光时，窗孔103处的光束轮廓用下式表示。

[式7]

$A\&times;\mathrm{Exp}(-{(2\&times;\frac{x}{m\&perp;})}^2-{(2\&times;\frac{y}{m\left|\right|})}^2)$

[式8]

$m\&perp;=2\&times;\mathrm{fA}\&times;\tan \left(\frac{\mathrm{\&alpha;}\&perp;}{2}\right)$

[式9]

$m\left|\right|=2\&times;\mathrm{fA}\&times;\tan \left(\frac{\mathrm{\&alpha;}\left|\right|}{2}\right)$

在此，α⊥为LD芯片的电流方向上的发散角，α‖为与α⊥正交的方向上的发散角。

在此时的激光束的光束直径比窗孔103大的情况下，用窗孔103对光束整形，在感光体表面能得到由窗孔103和其后的光学系统所决定的期望的光斑尺寸。相反，在光束直径比窗孔103小的情况下，由于来自LD101的出射光的发散角的离散、或LD101的功率变动等，感光体表面的光斑直径会发生变化。

另一方面，窗孔103的位置上的光束直径越大，遮蔽越大，所以通过窗孔103的光量越小。

因此，为了高效利用LD101的功率，最好使窗孔103位置上的光束和窗孔103的大小大致相等。

即，为了最高效地利用LD101的功率，最好使窗孔103的长轴方向和从LD101射出的出射光束的发散角α⊥一致。

此时，通过窗孔103的光量用下式近似表示。

[式10]

${\&Integral;}_{-\mathrm{Am}}^{\mathrm{Am}}{\&Integral;}_{-\mathrm{As}}^{\mathrm{As}}A\&times;\mathrm{Exp}(-{(2\&times;\frac{x}{m\&perp;})}^2-{(2\&times;\frac{y}{m\left|\right|})}^2)\mathrm{dxdy}$

其中，Am为窗孔在主扫描方向上的宽度，As为窗孔在副扫描方向上的宽度。

另一方面，关于具有多个发光点的多发光点型的LD101，由于要使LD101相对于主光轴面倾斜以便与感光体上的同时写入间距一致，所以并不简单。

在前述副扫描方向上的光学共轭关系成立的扫描光学系统中，副扫描放大倍数由准直透镜102的焦距fA和后焦距透镜的焦距fB决定。

另一方面，若将使用的激光发光点的间距设为β，将在感光体上进行同时曝光的副扫描方向线间距设为L，则使用LD101的倾斜角度θ，下式成立。θ为LD101的发光点的排列方向和主扫描面(主光轴面)所成的角度。

[式11]

$L=\mathrm{\&beta;}\&times;\frac{\mathrm{fB}}{\mathrm{fA}}\&times;\cos \mathrm{\&theta;}$

另一方面，通过倾斜LD101，窗孔103位置上的光束也倾斜。此时的光束轮廓用下式表示。

[式12]

$A\&times;\mathrm{Exp}(-{(2\&times;\frac{x\&times;\cos \mathrm{\&theta;}+y\&times;\sin \mathrm{\&theta;}}{m\&perp;})}^2-{(2\&times;\frac{-x\&times;\sin \mathrm{\&theta;}+y\&times;\cos \mathrm{\&theta;}}{m\left|\right|})}^2)$

此时窗孔103位置上的光束宽度如下式所示。

[式13]

$\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\&perp;}^2}+\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

[式14]

$\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\&perp;}^2}+\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

结果可知，窗孔103的遮蔽量，不仅取决于准直透镜102的焦距，也取决于LD101的倾斜角度θ。

如上所述，从LD101射出的出射光束的发散角α‖＜α⊥，所以若以感光体上的同时度扫描间距优先，则光束宽度可能比窗孔103小。

本发明的特征在于，通过设置转换从LD101射出的光束的发散角α‖、α⊥的光学元件(以下称作转换元件)，来增加设计的自由度。转换元件具有转换从LD101射出的光束轮廓的纵横比的功能。该转换元件可以是将多个焦距不同的柱面透镜组合的元件，也可以是在两面都具有变形(anamorphic)面的透镜。

图5A及图5B是用于说明转换元件的构成例及功能的图，图中123是转换元件(光束整形器)。如图5A所示，在本例中，考虑在LD101和准直透镜102之间导入上述转换元件123的构成。

如图5B所示，转换元件123是在特定方向上将来自LD101的出射光放大、而在与该特定方向正交的方向上不放大的光学元件。另外，为了简单化，设成下述方案：即使在上述光学系统中导入转换元件123，准直透镜102的焦距也不变。

在此，关于由转换元件123实现的LD101的出射光束发散角α‖、α⊥的转换，分别将转换系数设为Δ‖、Δ⊥。另外，转换元件123与旨在使感光体上的同时度扫描间距与既定值相一致的LD101的旋转同步地旋转。

通过导入转换元件123，激光发光点间距有效地变化。在此，感光体上的副扫描线间距L用下式表示。

[式15]

$L=\mathrm{\&Delta;}\left|\right|\&times;\mathrm{\&beta;}\&times;\frac{\mathrm{fB}}{\mathrm{fA}}\&times;\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}$

因此，关于在感光体上产生期望的同时曝光间距的、LD的旋转角θ′，窗孔103处的光束直径用下式表示。其中，M⊥是主扫描方向的光束宽度，M‖是副扫描方向的光束宽度，θ′是LD的旋转角。

[式16]

$m\&perp;=2\&times;\mathrm{fA}\&times;\tan (\mathrm{\&Delta;}\&perp;\frac{\mathrm{\&alpha;}\&perp;}{2})$

[式17]

$m\left|\right|=2\&times;\mathrm{fA}\&times;\tan \left(\mathrm{\&Delta;}\right|\left|\frac{\mathrm{\&alpha;}\left|\right|}{2}\right)$

[式18]

$M\&perp;=\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\&perp;}^2}+\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

[式19]

$M\left|\right|=\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\&perp;}^2}+\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

设计成该光束宽度M⊥、M‖至少比窗孔103的宽度大。即，在将窗孔103在主扫描方向上的宽度设为Am，副扫描方向上的宽度设为As时，通过设为满足以下各式(式20、式21)的条件，窗孔103处的光束宽度比窗孔103大，从而可在感光体上得到期望的光束直径。此外，这样可高效利用LD101的功率。在此，在窗孔103位置上的光束宽度与窗孔宽度一样的条件下，下述式20及式21的左边和右边相等时，能最有效地利用LD101的功率。

[式20]

$\mathrm{Am}<\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\&perp;}^2}+\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

[式21]

$\mathrm{As}<\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\&perp;}^2}+\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

上述转换元件可采用下述方案中的任一种：与准直透镜一体形成、设置在LD101和准直透镜102之间的光路上、或设置在准直透镜102和窗孔103之间的光路上。如上所述，转换元件可以是将焦距不同的多个柱面透镜组合的元件，也可以是在两面均具有变形面的透镜。在将准直透镜和转换元件一体形成的情况下，在准直透镜上具有变形形状，从而有对扩散的光束的纵横比进行转换并转换成平行光的功能。

此外，为了调整感光体(图像载体)上的副扫描方向的线间距，而调整这些转换元件，以便成为与LD101的旋转角相同的倾斜角。即，在LD101旋转时，为了使其转换系数Δ‖、Δ⊥在发光束轮廓的长圆方向和短圆方向上一致，而与LD101的旋转角θ配合地设定转换元件的角度。

另外，在上述实施方式中，表示了使用一体形成有多个发光点的多发光点型LD的例子，但是也可使用多个分体的单发光点型LD，利用半反射镜或反射镜等光学机构对从这些LD分别发出的光束进行光路调整，构成与上述多发光点型LD同样的激光光源。

图6是用于说明采用了多个具有单一发光点的激光二极管的激光光源的构成例的概略图。如图6所示，通过使用反射镜124及半反射镜125，对多个LD101的光束进行光路调整，可构成具有与上述多发光点型LD同样的功能的激光光源。

(实施例)

图7是表示如下构成的光学系统的模拟结果的一例的图，所述光学系统使用具有两个发光点的多发光点型LD，通过准直透镜将从该LD发出的光束变成平行光，通过窗孔对该光束进行整形。

在此，使用后焦距为76.9mm的光学系统，并使用发光点间距为14μm的多发光点型LD。在此，LD的发散角α‖为11.8°、发散角α⊥为35.3°。

此外，感光体上的副扫描线的曝光间距为42.3μm。这相当于以目前通常的像素密度(分辨率)、即600dpi进行图像形成时的曝光间距。此外，使用主扫描方向的窗孔宽度Am为3.59mm、副扫描方向的窗孔宽度As为1.21mm的窗孔。

转换系数Δ表示本发明的转换元件的转换放大倍数。Δ⊥表示与相对于发光点排列垂直的方向对应的转换元件的转换放大倍数，在此表示，相对于发散角α⊥35.3°来说转换成几倍的发散角度。另外，Δ‖表示与相对于发光点排列平行的方向对应的转换元件的转换放大倍数，在此表示，相对于发散角α‖11.8°来说转换成几倍的发散角度。

图7的表格表示在上述那样的条件的光学系统中，将转换系数Δ⊥、Δ‖都固定为1，而改变准直透镜的焦距f，并通过模拟计算此时窗孔位置上的光束直径m‖、m⊥、M‖、M⊥所得的结果。在此，在能得到既定曝光间距42.3μm的条件下，与准直透镜的焦距f的变化对应地改变旋转角θ。

如图7的表格的评价结果所示，在准直透镜的焦距为14.61以上时，窗孔位置上的光束直径比窗孔的宽度大，在感光体上能得到期望的光束直径。

图8表示对进行了上述图7的模拟的光学系统中必要的准直透镜焦距进行计算所得的表格。在此，表示在主扫描方向的转换系数Δ⊥和副扫描方向的转换系数Δ‖的关系中必要的准直透镜焦距。

图9是将上述图8中的转换系数Δ⊥设为1而改变转换系数Δ‖时与准直透镜焦距之间的关系曲线化的图。

使LD101相对于主扫描面旋转时，发光点排列方向的正交方向⊥相当于椭圆轮廓的长圆方向，不需要在⊥方向上进一步扩大轮廓。换言之，在发光点排列方向的正交方向⊥上，由LD101的旋转引起的光束斑对转换的依存性较小。

因此，使用上述图5A所示的转换元件123，扩大发光点排列方向‖的光束轮廓。此时，转换元件123随着LD101的旋转而旋转配置，以便在发光点排列方向上扩大光束。

图9的曲线S表示在上述光学系统中窗孔位置上的光束直径比窗孔宽度大、在感光体上能得到期望的光束直径的条件的边界，在该曲线S上方的区域中能满足上述条件。

该曲线S上方的区域符合上述式20及式21所示的修正系数条件。

在这种情况下，更优选地，选择尽可能靠近表示边界的曲线S的条件。例如，若以远离曲线S的区域中的条件设定准直透镜的焦距f，则相对于窗孔的尺寸来说光束直径相对较大，所以窗孔的遮蔽变大，通过窗孔的光束的能量变小。即，从光利用效率这点出发，接近于曲线S的条件较为优选。

当然，图9的曲线S是在上述图7中说明的特定光学系统的特定条件下计算所得的例子，它会根据LD的发光点间距、发散角、窗孔尺寸、或曝光间距等条件的不同而变化。

基本上，需要满足上述式20、式21的关系，此时优选尽可能接近式20、式21的左边和右边的条件。

根据本发明，能得到以下效果。

根据本发明，能提供一种激光扫描光学系统及具有该光学系统的图像形成装置，其能改善从激光二极管(LD)到感光体的能量传递效率，并且能抑制LD由旋转引起的功率变动，由此具有高效率和高可靠性的激光扫描特性。

Claims (9)

1.一种激光扫描光学系统，具有：半导体激光器、将从该半导体激光器射出的多条光束转换成平行光的准直透镜、和用于规定图像载体上的光束的光斑直径的窗孔，扫描从该准直透镜射出的光束，在图像载体上对多条线同时曝光，其特征在于，

该激光扫描光学系统具有转换元件，转换从前述半导体激光器射出的光束的轮廓的纵横比，该转换元件转换多条前述光束，在将前述主扫描方向设为前述扫描光学系统的光束扫描方向、将前述副扫描方向设为与前述主扫描方向正交的方向的情况下，

[式1]

$\mathrm{Am}<\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{{m\&perp;}^2}+\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

[式2]

$\mathrm{As}<\sqrt{\frac{1}{(\frac{{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{{m\&perp;}^2}+\frac{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{m{\left|\right|}^2})}}$

[式3]

$L=\mathrm{\&Delta;}\left|\right|\&times;\mathrm{\&beta;}\&times;\frac{\mathrm{fB}}{\mathrm{fA}}\&times;\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}$

[式4]

$m\&perp;=2\&times;\mathrm{fA}\&times;\tan (\mathrm{\&Delta;}\&perp;\frac{\mathrm{\&alpha;}\&perp;}{2})$

[式5]

$m\left|\right|=2\&times;\mathrm{fA}\&times;\tan \left(\mathrm{\&Delta;}\right|\left|\frac{\mathrm{\&alpha;}\left|\right|}{2}\right)$

其中，Am为窗孔在主扫描方向上的宽度，

      As为窗孔在副扫描方向上的宽度，

      m⊥为椭圆形光束的长轴方向直径，

      m‖为椭圆形光束的短轴方向直径，

      fA为准直透镜的焦距，

      fB为后焦距透镜的焦距，

      α⊥为相对于半导体激光器的发光点排列垂直的方向上的发散角，

      α‖为相对于半导体激光器的发光点排列平行的方向上的发散角，

      β为半导体激光器的发光点的配置间隔，

      θ′为半导体激光器的发光点排列方向和主扫描面所成的旋转角度，

      Δ⊥为与相对于半导体激光器的发光点排列垂直的方向相对应的转换元件的转换系数，

      Δ‖为与相对于半导体激光器的发光点排列平行的方向相对应的转换元件的转换系数，

      L是副扫描方向的曝光光束的线间距。

2.如权利要求1所述的激光扫描光学系统，其特征在于，前述准直透镜具有变形形状从而起到前述转换元件的作用，转换从前述半导体激光器射出的光束的轮廓的纵横比，并且将该光束转换成平行光。

3.如权利要求2所述的激光扫描光学系统，其特征在于，前述准直透镜被调整成与半导体激光器的倾斜角(θ)相同的倾斜角，以便调整前述图像载体上的副扫描方向间距。

4.如权利要求1所述的激光扫描光学系统，其特征在于，前述转换元件设置在前述准直透镜和前述半导体激光器之间的光路上。

5.如权利要求1所述的激光扫描光学系统，其特征在于，前述转换元件设置在前述准直透镜和前述窗孔之间的光路上。

6.如权利要求4所述的激光扫描光学系统，其特征在于，前述转换元件被调整成与前述半导体激光器的倾斜角相同的倾斜角，以便调整前述图像载体上的副扫描方向间距。

7.如权利要求5所述的激光扫描光学系统，其特征在于，前述转换元件被调整成与前述半导体激光器的倾斜角相同的倾斜角，以便调整前述图像载体上的副扫描方向间距。

8.如权利要求1所述的激光扫描光学系统，其特征在于，前述多条光束是一个具有多个发光点的半导体激光器、或者多个具有一个发光点的半导体激光器的出射光束。

9.一种图像形成装置，其特征在于，具有权利要求1～8中任一项所述的激光扫描光学系统和感光体，借助该激光扫描光学系统在前述感光体上形成潜像，通过将该潜像显影化而进行图像形成。

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