专利名称：图像转印装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像转印装置，它带有形成安装单元(erecting unit)放大光学系统的透镜阵列叠层(laminate)，所述透镜阵列叠层包括数个透镜阵列片，每一个透镜阵列片都带有设置成数排并被紧密层压的凸-凸形透镜元件。该装置用作直线扫描光学系统如光学印刷机或扫描仪。
背景技术：
此前，梯度折射率棒形透镜阵列经常被用于光写入系统如光学印刷机或光读取系统如扫描仪的图像转印装置中。通过使用这种梯度折射率棒形透镜阵列可大大减小各种装置，如光学印刷机和扫描仪的尺寸。然而，当使用梯度折射率棒形透镜时，对于依照这种设计需要大约1200dpi(每英寸点数)高分辨率的光学系统；有时不能得到足够的分辨率。
因此，有人提议用平面透镜阵列替代这种梯度折射率透镜阵列(例如，参看日本专利公开第2000-221445号)。在该专利公报中披露的光学系统是由4n个球面透镜阵列片组成(其中n是正整数，n等于1时，4片的结构为最小)。此外，将相邻透镜阵列片间地距离设定成等于透镜的焦距(即相邻透镜阵列片间形成的间距)以得到1200dpi的高分辨率(但未说明透镜的焦距和尺寸)。
然而，需要一种使相邻透镜阵列片间距离保持恒定的部件，用以得到一种安装单元放大光学系统，其结构使相邻透镜阵列片间的距离被设定为等于透镜的焦距。于是，部件的数目就变多，并且其组装也变得复杂。而且，由于要获得高分辨率就需要减小每个透镜阵列片的厚度和相邻透镜阵列片间的距离，于是定位的准确性就变得很严格。
此外，存在的问题是不可避免要增大所用透镜阵列片的数目。本实例中，因为光学系统是由4n个透镜阵列片组成，所以至少需要四个透镜阵列片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像转印装置，其中透镜阵列片可以紧密接触的结构被对接定位，同时尽可能减少透镜阵列片的数目，以便能够实现容易装配，并使成本和尺寸减小。
本发明的另一个目的在于提供一种图像转印装置，其中尽可能减少透镜阵列片的数目，以实现容易装配及减少成本和尺寸，同时可以传输既亮分辨率又高的图像。
依照本发明，提供一种图像转印装置，它有形成安装单元放大光学系统的透镜阵列叠层，该透镜阵列叠层包含数个透镜阵列片，每个透镜阵列片都具有设置成数排的凸-凸形透镜元件，并沿每个透镜光轴的方向基本上紧密层压。
另外，按照本发明，提供一种图像转印装置，它有形成安装单元放大光学系统的透镜阵列叠层，该透镜阵列叠层包括两至四个相同规格的透镜阵列片，每个透镜阵列片都有排成3至9排的多个凸-凸形透镜元件，并沿每个透镜光轴的方向基本上紧密层压；每一个凸-凸形透镜元件都由折射率不小于1.45的透明材料制成。相应地，每一个透镜阵列片都是板状体，其中透镜元件按二维方式排列，使所述3至9排透镜元件沿宽度方向(即沿副扫描方向)设置，同时大部分透镜元件沿长度方向(即沿主扫描方向)设置。
当两个透镜阵列片受到紧密层压时，最好使每个透镜阵列片具有不大于6.3mm的透镜厚度，同时，每个透镜阵列片中透镜的孔半径与透镜厚度的比值在0.12至0.20的范围内，每个透镜阵列片中凸面曲率半径与透镜厚度的比值在0.24至0.33的范围内。当三个透镜阵列片被紧密层压时，最好使每个透镜阵列片具有不大于8.0mm的透镜厚度，同时，每个透镜阵列片中透镜的孔半径与透镜厚度的比值在0.14至0.22的范围内，每个透镜阵列片中凸面曲率半径与透镜厚度的比值在0.42至0.65的范围内。当四个透镜阵列片被紧密层压时，最好使每个透镜阵列片具有不大于8.0mm的透镜厚度，同时，每个透镜阵列片中透镜的孔半径与透镜厚度的比值在0.18至0.29的范围内，每个透镜阵列片中凸面曲率半径与透镜厚度的比值在0.75至1.10的范围内。
这些结构当中的每一种，每个透镜阵列片的透镜厚度最好在大约4mm至0.5mm的范围内，透镜排的数目最好在4至6的范围内。尤其是5透镜排的结构为最佳。
本发明的图像转印装置并不特别限于但可将其用于光学印刷机的光写入系统中或用于扫描仪的光学读取系统中。
在上述的图像转印装置中，所有的透镜面可以具有相同的曲率半径，但为提高分辨率也可以使这些透镜面成形为具有不同的曲率半径。以此实现本发明。
这就是说，本发明还提供一种图像转印装置，它有形成安装单元放大光学系统的透镜阵列叠层，所述透镜阵列叠层包括三个透镜阵列片，每个透镜阵列片都具有排列成数排的多个凸-凸形透镜元件，并受到层压，使相应的透镜元件的光轴相互间重合；其中，所述透镜阵列叠层被成形，使侧面被相对放置，并且关于叠层中心相互对称的透镜面的曲率半径被设置成彼此相等；并且所述透镜阵列叠层满足关系R1≠R2和R2≠R3，其中R1是外面的透镜阵列片中外透镜面的曲率半径，R2是外面的透镜阵列片中内透镜面的曲率半径，R3是中间的透镜阵列片中相对的透镜面的曲率半径。最好使各透镜面曲率半径R1、R2和R3满足关系R1＜R2＜R3。
在这种情形下，外面的透镜阵列片中内透镜面的曲率半径R2与外面的透镜阵列片中外透镜面的曲率半径R1的比值满足关系
1＜R2/R1
最好将所述比值R2/R1设定得满足关系
1.1＜R2/R2＜10
更为优选的是将所述比值R2/R1设定得满足关系
1.3＜R2/R2＜5
这些结构中的每一种，最好使各透镜阵列片被大体上紧密层压，同时使每个透镜阵列片形成一种结构，其中多个凸-凸形透镜元件中的每一个都由折射率不低于1.45的透明材料制成，将它们排列成3至9排，特别是排成4至6排。
本发明的图像转印装置并不特别限于但可将其用于光学印刷机的光写入系统中或用于扫描仪的光学读取系统中。
在本发明中，可使各透镜面被部分地或整个以非球面方式成形，以便更明显地提高分辨率。
这就是说，本发明还提供一种图像转印装置，它有形成安装单元放大光学系统的透镜阵列叠层，所述透镜阵列叠层包括两个或三个透镜阵列片，每个透镜阵列片都具有排列成数排的多个凸-凸形透镜元件，并受到层压，以使相应透镜元件的光轴相互间重合；其中，所述透镜阵列叠层被成形，使得侧面被相对放置，并且关于叠层中心相互对称的透镜面形成对称的形状，并使至少两个透镜面以非球面方式被成形。当透镜面被部分地非球面方式成形时，最好使最外面的透镜面被非球面方式成形。
当所述透镜阵列叠层是由两个透镜阵列片组成时，最好使定义分辨率二次曲面并作为每个以非球面方式成形的透镜面基准的非球面系数CC满足下述关系
-0.6＜CC＜0此外，当透镜阵列叠层是由三个透镜阵列片组成时，最好使定义分辨率二次曲面并作为每个以非球面方式成形的透镜面基准的非球面系数CC满足下述关系
-5＜CC＜2.2
本发明的图像转印装置并不特别限于但可将其用于光学印刷机的光写入系统中或用于扫描仪的光学读取系统中。
目前的公开与包含在日本专利申请第2001-233781号(2001年8月1日申请)、第2001-368488(2001年12月3日申请)、第2002-3245(2002年1月10日申请)和第2002-18028号(2002年1月28日申请)的主题有关，这里特将它们全部结合作为参考文献。
图1是本发明图像转印装置第一实施例的说明性示意图2A至2C是表示所述实施例中光路的说明性示意图3是表示在2片叠层结构中透镜厚度t与MTF的关系曲线图4是表示在2片叠层结构中透镜厚度t与透镜的孔半径r、凸面曲率半径R和工作长度L的关系曲线图5是表示在3片叠层结构中透镜厚度t与MTF的关系曲线图6是表示在3片叠层结构中透镜厚度t与透镜的孔半径r、凸面曲率半径R和工作长度L的关系曲线图7是表示在4片叠层结构中透镜厚度t与MTF的关系曲线图8是表示在4片叠层结构中透镜厚度t与透镜的孔半径r、凸面曲率半径R和工作长度L的关系曲线图9是本发明图像转印装置第二实施例的说明性示意图10是表示第二实施例中光路的说明性示意图11是表示例4中R2/R1与MTF之间的关系曲线图12是表示例5中R2/R1与MTF之间的关曲线系图13A和13B是本发明图像转印装置第三个实施例的说明性示意图14是表示非球面形状的说明性示意图15A和15B是本发明图像转印装置第三个实施例中光路的说明性示意图16是表示空间周波数(Lp/mm)和MTF之间关系一个举例的曲线图。
具体实施方式
第一实施例
如图1所示，本发明图像转印装置具有形成安装单元放大光学系统的透镜阵列叠层14，该透镜阵列叠层14包括相同规格的数个透镜阵列片12(如图1中所示情形的三个透镜阵列片12)，每个透镜阵列片12具有设置成3至9排、并沿每个透镜光轴的方向紧密层压的凸-凸形透镜。每个透镜阵列片12都由折射率不低于1.45的透明材料制成，并被设置成板状体，其中的透镜元件10按二维方式排布，使所述3至9排的透镜元件10被沿宽度方向(即沿图1纸面的上下方向)设置，同时，很多的透镜元件10被沿长度方向设置(即沿垂直于图1纸面的方向)。也可将所述透镜元件10设置成形为类似正方形，或者被密集地布置。可以通过用透明树脂进行整体压模来简单制成每个透镜阵列片。
在此，首选的结构是其中把2至4个透镜阵列片层压成透镜阵列片12。随着透镜片数目(即要层压的透镜阵列片数目)的增大，会使理论分辨率提高。这是因为当透镜片的数目增加时，每个透镜阵列片的聚光能量就减小，相应地，每个凸-凸形透镜元件的曲率减小并且球面像差也减小。然而，实际上，随着透镜阵列片数目的增加，透镜面的数目增大。因此，由于透镜面或多或少地反射光，所以使传输光的总量减小。另外，也难于提高层压中的位置准确性。于是，因位置的偏移(displacement)，就易于使分辨率降低。由于这些原因，所以本发明中要层压的透镜阵列片的数目最好限定在不大于4。在两个透镜阵列片被层压的结构中，因为球面引起的像差较大，所以分辨率稍微被降低，但是部件的数目很少，以至可以很容易的进行装配，并使成本降低。从本说明书，最好使用层压三个透镜阵列片的结构，以致能够较为低廉得获得一种明亮的、高分辨率光学系统。
在有两个透镜阵列片被层压的结构中，每个透镜阵列片都被成形为使得透镜厚度不大于6.3mm(尤其是不大于3.2mm，特别是不大于1.8mm，以得到更高的分辨率)，透镜的孔半径与透镜厚度的比值在0.12至0.20的范围内，凸面曲率半径与透镜厚度的比值在0.24至0.33的范围内。在有三个透镜阵列片被层压的结构中，每个透镜阵列片都被成形为使得透镜厚度不大于8.0mm(尤其是不大于4mm，特别是不大于2mm，以得到更高的分辨率)，透镜的孔半径与透镜厚度的比值在0.14至0.22的范围内，凸面曲率半径与透镜厚度的比值在0.42至0.65的范围内。在有四个透镜阵列片被层压的结构中，每个透镜阵列片都被成形为使得透镜厚度不大于8.0mm(尤其是不大于4.5mm，特别是不大于2.5mm，以得到更高的分辨率)，透镜的孔半径与透镜厚度的比值在0.18至0.29的范围内，凸面曲率半径与透镜厚度的比值在0.75至1.10的范围内。
这些结构当中的任何一种，每个透镜阵列片的透镜厚度首选大约4mm至大约0.5mm的范围。最好使该透镜厚度更小。然而，如果透镜厚度太小的话，由于透镜阵列片自身的力学强度被降低，所以就很难对透镜阵列片进行处理。反之，如果透镜厚度太大，就会出现材料的浪费使用、厚度增加等问题，以及性能的提高就不再显著。
另外，本发明将各个透镜阵列片构造成相互紧密地耦合。从而，可使各个透镜阵列片被对接定位。这就具有不需要任何部件来确定相邻透镜阵列片间距离的优点。而且，可将每个透镜阵列片做得厚度些，使得能够提高装配后的强度。
此外，在本发明中，每个透镜阵列片都是由3至9排透镜元件组成，从而就能得到尺寸减小、明亮而又很少不均匀的光学系统。顺便提及，如果设置2排或更少排的透镜单元，会使主扫描方向上亮度的不均匀变大。如果为减小这一不均匀性而使工作长度(operating length)变长，则沿所述排的方向上的孔径就变得很小，以至使得透镜不良地变暗。通过增加透镜排的数目可以得到使透镜阵列的不均匀性减小。但是，如果透镜排的数目大于9，则光学系统的尺寸就变得相当大。从这些事实中，优选将透镜的排数设定在4至6的范围内。尤其是5排透镜的结构为最优。
在这样的光学系统中，当所述光学系统按比例相似地减小时，可使像差减小，并能提高分辨率。(例1)
对于一种有两个透镜阵列片被相互紧密层压结构的透镜阵列叠层，其中两个透镜阵列中的每一个都有大量排列好的凸-凸形球面透镜，通过由光学设计模拟(optical design simulation)而得到因改变折射率分别拟达到300、600和1200dpi分辨率的外形尺寸、数值孔径(NA)和透镜排的数目。自然，透镜尺寸会随着分辨率的提高而需得减小。可以计算出在安装单元放大透镜系统中MTF(调制传递函数)被保持为40％所允许的尺寸范围。
所述模拟条件如下(a)所述透镜阵列叠层是一个光学系统，它被成形为使每个都具有3至7排透镜的两个透镜阵列片被相互紧密层压。所述各个透镜元件被排列使得彼此相邻。也可使用任何设置的方法如六角对称或或四方对称。作为选择，也可使用密集设置。(b)为了达到亮度，实际上使透镜阵列的孔径成形为类似于圆形，以便沿主扫描方向和副扫描方向上的尺寸是相等的。(c)在假想漫射光可被去除的情形下，在形成图像的有效光射线的基础上进行所述模拟。实际上，提供一个单元，比如设在相邻透镜元件间、位于每个透镜阵列片表面内或位于设在每个透镜阵列片外面隔墙表面内的光遮蔽膜，用以消除漫射光。(d)参数值被设定如下 光源的波长λ＝750nm 光源的辐射角θ＝14°至9° 透镜材料的折射率n＝1.55至1.45 透镜的排数7至3排(e)透镜半径r、透镜厚度t、透镜曲率半径R和工作长度L被视作变量。
模拟的程序如下(1)设定透镜材料的折射率n。(2)考虑分辨率，设定透镜的半径r。(3)在结合光源辐射角θ和透镜排数使透镜阵列的孔径成形为类似于圆形的基础上，确定最大工作长度L。(4)确定透镜厚度t和曲率半径R，以便沿透镜阵列叠层层压方向上的中央形成倒像。(5)计算与分别相当于300、600和1200dpi对应于6、12和24lp/mm(每毫米线对)的MTF值。(6)类似地改变光学系统的尺寸，以获得因尺寸变化所致MTF的波动。(7)在改变折射率的同时，重复步骤(2)至(6)。
表1至4中示出模拟的结果。表1示出在折射率n变为1.55、1.5、1.45并且在光源辐射角θ在14°到9°范围内时透镜的排数分别变为7、5、3的条件下，按照每个分辨率使MTF为40％的透镜厚度t的值。表2总体示出了透镜厚度t的最小值和最大值。很显然，从表2中可知最好选择透镜厚度t不超过6.3mm。随着分辨率的提高，最好选择透镜厚度t不大于3.2mm，或更不大于1.8mm更好。[表1]14°12°9°[表2]9至14°，3至7排
表3总体上示出了在折射率n变为1.55、1.5、1.45并且当光源的辐射角θ在14°至9°的范围时透镜排数分别变为7、5、3的条件下的尺寸比值(r/t，R/t和L/t)。表4总体上示出了所述尺寸比值的最小值和最大值。很显然，从表4中可知最好选择透镜的孔径半径r与透镜厚度t的比值在0.12至0.20的范围内，凸面曲率半径R与透镜厚度t的比值最好被选在0.24至0.33的范围内，工作长度L与透镜厚度t的比值最好选在2.00至4.91的范围内。[表3]14°12°9°[表4]9至14°，3至7排
图2A示出透镜排数为5情形下的光路。图3和图4示出模拟结果的一个实例(光源辐射角θ为14°、透镜排数为7和折射率n为1.55的情况)。图3示出MTF与透镜厚度t的关系。图4示出透镜的孔半径r、凸面曲率半径R和工作长度L与透镜厚度t的关系。图4中直线的斜率表示尺寸比值(r/t、R/t和L/t)。(例2)
对于具有三个透镜阵列片被相互紧密层压结构的一种透镜阵列叠层，其中所述三个透镜阵列当中的每一个都有大量排列好的凸-凸形球面透镜，通过光学设计模拟分别得到由改变折射率达到的300、600和1200dpi分辨率的外形尺寸、数值孔径(NA)和透镜排的数目。自然，随着分辨率的提高而需要减小透镜尺寸。可以计算出在安装单元放大透镜系统中MTF(调制传递函数)被保持为40％所允许的尺寸范围。
所述模拟条件如下。基本上，这些条件与例1中的条件相同。(a)所述透镜阵列叠层是一个光学系统，它被成形为每个都有3至7排透镜的两个透镜阵列片被相互紧密层压。所述各个透镜元件被排列使得彼此相邻。(b)为了达到亮度，实际上使透镜阵列的孔径成形为类似于圆形，以便沿主扫描方向和副扫描方向上的尺寸是相等的。(c)在假想漫射光可被去除的情形下，在形成图像的有效光射线的基础上进行所述模拟。(d)参数值被设定如下
光源的波长λ＝700nm
光源的辐射角θ＝16°至12°
透镜材料的折射率n＝1.55至1.45
透镜排数9至3排(e)透镜半径r、透镜厚度t、透镜曲率半径R和工作长度L被视作变量。
模拟程序与实施例1中的相同。
表5至8中示出模拟的结果。表5示出在折射率n变为1.55、1.5、1.45并且在光源辐射角θ在16°到12°范围内透镜排的数目分别变为5和3的条件下，按照每个分辨率使得MTF为40％的透镜厚度t的值。表6总体上示出透镜厚度t的最小值和最大值。很显然，从表6中可知最好选择透镜厚度t不超过8.0mm。透镜厚度t最好选择不大于4.0mm或不大于1.9mm更好。[表5]16°14°12°[表6]12至16°，3至9排
表7总体上示出在折射率n变为1.55、1.5、1.45并且当光源辐射角θ在从16°至12°的范围时透镜排的数目分别变为9、5、3的条件下的尺寸比值(r/t，R/t和L/t)。表8总体上示出尺寸比值的最小值和最大值。很显然，从表8中可知透镜的孔半径r与透镜厚度t的比值最好选在0.14至0.22的范围内，凸面曲率半径R与透镜厚度t的比值最好选在0.42至0.65的范围内，工作长度L与透镜厚度t的比值最好选在1.49至5.59的范围内。[表7]16°14°12°[表8]12至16°，3至9排
图2B示出透镜排数为5情形下的光路。图5和6示出模拟结果的一个举例(光源辐射角θ为16°、透镜排数为5和折射率n为1.55的情况)。图5示出MTF与透镜厚度t的关系。图6示出透镜的孔半径r、凸面曲率半径R和工作长度L与透镜厚度t的关系。(例3)
对于具有四个透镜阵列片被相互紧密层压结构的一种透镜阵列叠层，其中所述四个透镜阵列当中的每一个都带有大量排列好的凸-凸形球面透镜，通过光学设计模拟分别得到改变折射率所达到的300、600和1200dpi分辨率的外形尺寸、数值孔径(NA)和透镜排的数目。自然，随着分辨率的提高而需要减小透镜尺寸。可以计算出在安装单元放大透镜系统中MTF(调制传递函数)被保持为40％所允许的尺寸范围。
所述模拟条件如下。这些条件基本上与实施例1中的条件相同。(a)所述透镜阵列叠层是一个光学系统，它被成形成每个都具有3至9排透镜的两个透镜阵列片被相互紧密层压。所述各个透镜元件被排列使得彼此相邻。(b)为了达到亮度，透镜阵列的孔径基本上被成形为类似于圆形，以便沿主扫描方向和副扫描方向上的尺寸是相等的。(c)在假想漫射光可被去除的情形下，在形成图像的有效光射线的基础上进行所述模拟。(d)参数值被设定如下
光源的波长λ＝750nm
光源的辐射角θ＝18°至12°
透镜材料的折射率n＝1.55至1.45
透镜排数9至3排(e)透镜半径r、透镜厚度t、透镜曲率半径R和工作长度L被视作变量。
模拟程序与实施例1中的相同。
表9至12中示出模拟的结果。表9示出在折射率n变为1.55、1.5、1.45并且在光源辐射角θ从18°到12°范围内时透镜的数排分别变为9、5、3的条件下，依照每个分辨率使得MTF为40％的透镜厚度t的值。表10总体上示出透镜厚度t的最小值和最大值。很显然，从表10中可知最好将透镜厚度t选择为不超过8.0mm。透镜厚度t最好被选择为不大于4.5mm，或者随着分辨率的提高更为优选的是不大于2.5mm。[表9]18°16°14°12°[表10]12至18°，3至9排
表11总体上示出在折射率n变为1.55、1.5、1.45并且当光源辐射角θ在从18°至12°的范围时透镜的排数分别变为9、5、3的条件下的尺寸比值(r/t，R/t和L/t)。表12总体上示出尺寸比值的最小值和最大值。很显然，从表12中可知最好将透镜的孔半径r与透镜厚度t的比值选为从0.18至0.29的范围内，凸面曲率半径R与透镜厚度t的比值最好选为0.75至1.10的范围内，工作长度L与透镜厚度t的比值最好选为2.37至7.21的范围内。[表11]18°16°14°12° [表12]12至18°，3至9排
图2C示出透镜排数为5情形下的光路。图7和8示出模拟结果的一个举例(光源辐射角θ为16°、透镜排数为5和折射率n为1.55的情况)。图7示出MTF与透镜厚度t的关系。图8示出透镜孔半径r、凸面曲率半径R和工作长度L与透镜厚度t的关系。
如上所述，依照本发明的第一实施例，数个透镜阵列片基本上被紧密的相互层压，其中每个透镜阵列片都带有设置成数排的凸-凸形透镜单元。从而，在透镜阵列片可被对接定位的同时，透镜阵列片的数目可被减小到尽可能地极度的小。从而，就可易于装配，并且降低了成本。
尤其是当透镜阵列叠层是由两个或四个透镜阵列片组成时，部件的数目就可减小到极少。此外，当使用每个都带有3至9个排透镜的透镜阵列片时，因为透镜阵列叠层被设计使得透镜阵列的孔径是圆形的，而且透镜排数目非常大，所以就可达到亮度、高分辨率并降低成本。第二实施例
如图9所示，本发明第二实施例的图像转印装置具有形成安装单元放大光学系统的透镜阵列叠层14，所述透镜阵列叠层14包括三个透镜阵列片12a、12b和12c，每一个阵列片都具有布置成3至9排的凸-凸形透镜元件10，并使所述三个透镜阵列片受到层压，使得相应的透镜元件10的透镜光轴相互重合。每个透镜阵列片12a、12b和12c都是由折射率不小于1.45的透明材料制成，并且被设置成板状体，其中所述透镜元件10按二维方式设置，使所述3至9排的透镜元件10沿宽度方向(即沿图9纸面上下的方向)布置，同时，大多数透镜元件10沿长度方向(即沿垂直于图9纸面的方向)布置。也可将所述透镜元件10设置成形为类似于正方形，或者被密集地设置。利用透明树脂整体压模，可以很容易地制成每个透镜阵列片。
在本发明的第二实施例中，位于外面的两个透镜阵列片12a和12c在结构上彼此相同，并被设置成关于叠层的中心相互对称，但是中间的透镜阵列片12b在结构上不同于所述两个透镜阵列片12a和12c。从而，将位于相对两侧并关于叠层中心彼此对称之透镜面的曲率半径设定成彼此相等。该曲率半径被设定成满足关系R1＜R2＜R3，其中R1是外面的透镜阵列片12a和12c其外透镜面的曲率半径，R2是外面的透镜阵列片12a和12c其内透镜面的曲率半径，R3是中间的透镜阵列片12b其相对透镜面的曲率半径。
随着透镜片数目(要被层压的透镜阵列片数目)的增多，理论分辨率提高。这是因为当透镜片的数目增加时，每个透镜阵列片的聚光能量就减小。相应地，每个凸-凸形透镜元件的曲率减小，并且球面像差也减小。但实际上，透镜面的数目随着要层压的透镜阵列片数目的增加而增大。因此，由于透镜面或多或少地反射光，所以使传输光的总量减小。另外，也难于提高层压位置的准确性。于是，由于位置的偏移，就易于使分辨率降低，从而分辨率的降低又引起尺寸的增大。相反，在透镜阵列片数减小，也即两个透镜阵列片受到层压的结构中，透镜面曲率半径改变的影响并不显著。为此，本发明中设计三个透镜阵列片受到层压。
设定每个透镜阵列片的透镜厚度不大于8.0mm，最好不大于4.0mm，为了获得更高的分辨率，则更为优选的是不大于2.0mm。虽然首选透镜厚度比较小，但如果透镜厚度太小(比如小于0.5mm)，就会因为透镜阵列片自身力学强度的降低而难于处理透镜阵列片。反之，如果透镜厚度太大，则性能就不会明显地提高，并且还存在使用材料的浪费、厚度增加等问题。最好将透镜的孔半径与透镜厚度的比值设定在大约0.14至0.22的范围内，凸面的曲率半径与透镜厚度的比值被设定在大约0.42至0.65的范围内。
在透镜阵列片彼此紧密耦合的结构中，可使透镜阵列片被对接定位，从而具有无需提供任何部件以确定相邻透镜阵列片间距离的优点。此外，可将每个透镜阵列片的厚度制成使装配后的强度增强。
此外，在本发明中，设置3至9排透镜元件，从而得到尺寸较小、明亮却很少有不均匀的光学系统。顺便提及，如果设置2排或更少排的光学元件，则主扫描方向上亮度的不均匀就会变大。如果通过使工作长度变长，以减小这一不均匀性，则沿排方向上的孔径就变得很小，以至会使透镜不良地变暗。通过增加透镜的排数，可以达到使透镜阵列的不均匀性减小。但是，如果透镜的排数大于9，则光学系统的尺寸就变得相当大。从这些事实中，最好将透镜的排数设定在4至6的范围内。尤其是5排透镜的结构是最优的。实例
假设R1、R2和R3是透镜阵列叠层中透镜面的曲率半径，所述透镜阵列叠层被成形为图9所示那样，使三个透镜阵列片被紧密的层压，每个透镜阵列片都具有大量外形似球体并成排布置的凸-凸形透镜元件，与R＝R1＝R2＝R3情形(比较例)相比，通过光学设计模拟得到的曲率半径范围使分辨率MTF(调制传递函数)提高。(例4)
模拟所用的条件如下。(a)首先，除各透镜面的曲率半径满足关系R＝R1＝R2＝R3情形外，在下面的条件下设计具有5排透镜的透镜阵列片。
数值孔径NA＝0.275(等价于16°的孔径张角)
透镜面曲率半径R＝0.458mm
透镜半径r＝0.17mm
透镜阵列片厚度t＝0.8mm
工作长度L＝2.5mm
将各透镜元件设置得彼此相邻。也可使用像六角对称或正方对称等任何一种设置的方法。作为选择，也可采用密集设置。(b)为了达到亮度，使透镜阵列的孔径大体上成形为类似圆形，以便沿主扫描方向和副扫描方向尺寸是相等的。(c)在假想漫射光可被去除的情形下，在形成图像的有效光射线的基础上进行所述模拟。实际上，为消除漫射光而提供一个单元，比如一个光遮蔽膜，它设置在相邻透镜元件间，并位于每个透镜阵列片表面内或位于设在每个透镜阵列片外面隔墙表面内。(d)参数值被设定如下
光源的波长λ＝700nm
透镜材料的折射率n＝1.5
所述模拟的程序如下(1)在使中间透镜阵列片12b的相对透镜面曲率半径R3固定(R3＝0.458mm)的条件下，当外面透镜阵列片12a和12c的外透镜面曲率半径R1在R1＜R3范围内变化时，得到对于最大MTF时外面的透镜阵列片12a和12c的内透镜面曲率半径R2。(2)确定最佳MTF的R2/R1范围。
表13示出对于不同的R1和R2值，R1/R3、R2/R3和R2/R1的关系，以及对于不同的R1和R2值，输入图像中MTF与空间周波数(spatialfrequency)12LP/mm和18LP/mm的关系。表13中，第一行所示的组合(combination)表示比较例，其中所有透镜面的曲率半径彼此相等。表13中，最大MTF的组合是第六行所示的组合(R1＝0.410mm，R2＝0.848mm)。图11示出与空间周波数12LP/mm和18LP/mm一致的R2/R1和MTF之间的关系。[表13](例5)
模拟所用的条件如下。
首先，除了各透镜面的曲率半径满足关系R＝R1＝R2＝R3情形外，在下面的条件下设计有5排透镜的透镜阵列片。
数值孔径NA＝0.342(等价于20°的孔径张角)
透镜面曲率半径R＝0.377mm
透镜半径r＝0.17mm
透镜阵列片厚度t＝0.643mm
工作长度L＝2.01mm
其它条件同例4。
模拟的程序如下。(1)在使中间透镜阵列片12b的相对透镜面曲率半径R3固定(R3＝0.377mm)的条件下，当外面透镜阵列片12a和12c的外透镜面曲率半径R1在R1＜R3范围内变化时，得到对于最大MTF时外面透镜阵列片12a和12c的内透镜面曲率半径R2。(2)确定最佳MTF的R2/R1范围。
表14示出对于不同的R1和R2值，R1/R3、R2/R3和R2/R1的关系，以及对于不同的R1和R2值，输入图像中MTF与空间周波数6LP/mm和12LP/mm的关系。在表14中，第一行示出的组合表示比较例，其中所有透镜面的曲率半径彼此相等。表14中，最大MTF的组合是第六行示出的组合(R1＝0.330mm，R2＝0.959mm)。图12示出与空间周波数6LP/mm和12LP/mm一致的R2/R1和MTF之间的关系。[表14]
从这些结果可以明显地看出，当外面透镜阵列片的透镜面曲率半径R2与曲率半径R1的比值R2/R1被设定为大于1时，可使MTF提高。当比值R2/R1在范围1.1＜R2/R1＜10，特别是在范围1.3＜R2/R1＜5时，可得到很高的MTF。
表15示出MTF的改善效果(effect)。与比较例相比，表15中总体地示出按照最佳举例分辨率MTF的达到怎样的程度。很明显，用数字表示，MTF改善的效果在从百分之十几到大约百分之三十的范围内。[表15]
如上所述，按照本发明的第二实施例，各有被布置成数排之凸-凸形透镜元件的三个透镜阵列片被相互层压。从而，可使透镜阵列的数目被减少到尽可能的极度地小。于是，实现容易装配以及使成本和尺寸减小。此外，还可使透镜元件间的功率平衡得以最优化。因此，就达到亮度和高的分辨率。第三实施例
本发明第三实施例的图像转印装置被构造成使两个透镜阵列片10如图13A所示那样受到层压，或者使三个透镜阵列片如图13B所示那样受到层压。也就是说，图13A和13B中的每一幅中，图像转印装置都具有形成安装单元放大光学系统的透镜阵列叠层，所示透镜阵列叠层包括透镜阵列片10，其中的每一个都具有设置成3至9排的凸-凸形透镜元件12，并且所示三个透镜阵列片受到层压，使相应透镜元件的透镜光轴互相重合。每个透镜阵列片10都由折射率不低于1.45的透明材料制成。每个透镜阵列片10都是板状体，透镜元件12在其中被以二维方式布置，使所示三至五排透镜元件12(比如图13A和图13B中的五排透镜元件12)沿宽度方向(即沿图13A和13B纸面上下的方向)设置，同时，很多的透镜元件12沿长度方向(即沿垂直于图13A和13B纸面的方向)设置。也可将所述透镜元件12布置成形为类似正方形，或者被密集地设置。使用透明树脂来整体压模，可以易于制成每个透镜阵列片。
当所述透镜阵列叠层是由两个透镜阵列片组成时，这两个透镜阵列片在结构上是相同的，并且被关于叠层中心对称地设置。当所述透镜阵列叠层是由三个透镜阵列片组成时，中间的透镜阵列片在结构上与两个外面的透镜阵列片不同(但相对的透镜面的结构与这两个外面的透镜阵列片的结构相同)，然而，两个外面的透镜阵列片在结构上是相同的，并被关于叠层中心对称的设置。现在假定图13A和13B中的透镜面按照向右的顺序被分别编号为第一面至第四面(透镜阵列叠层由两个透镜片组成的情形)和第一面至第六面(透镜阵列叠层由三个透镜阵列片组成的情形)。则当透镜阵列叠层由两个透镜阵列片组成时，第一和第四面外形是相同的(对称的)以及第二和第三面外形是相同的(对称的)，当透镜阵列叠层由三个透镜阵列片组成时，第一和第六面外形是相同的(对称的)，第二和第五面外形是相同的(对称的)，并且第三和第四面外形是相同的(对称的)。另外，在本发明的第三实施例中，所述四个或六个透镜面中的至少两个被非球面地成形。
一般来说，非球面透镜具有偏离球体的透镜外部，从而邻近透镜光轴的一部分透镜与球体相符。来自一个物体的光传遍外透镜面使得光进入整个外透镜面。从而，非球面成形的透镜在纠正由透镜球面部分产生的像差方面是很有效的。这就有助于提高分辨率。另一方面，被外透镜面缩小了的光进入内透镜面。从而，与外透镜面相比，允许被透镜使用的范围局限在邻近透镜光轴的范围的。相应地，在外透镜面内，非球面的效果就变得最为显著。因此，当透镜面被局部非球面成形时，最好使两个最外的透镜面被非球面成形。
顺便提及，通常由下面的表达式给出非球面的外形。z是垂度(sag)，它由图14所示与透镜面中心O的距离r的函数给出。
Z＝CV·r2/[1+{1-CV2(CC+1)·r2}1/2]+AD·r4+AE·r6+AF·r8+AG·r10
在这个表达式中，CV等于1/R，表示中心曲率。CC、AD、AE、AF和AG是非球面系数。详细地说，CC是将分辨率的二次曲面定义为基数的非球面系数，AD、AE、AF和AG是表示二次曲面散度的非球面系数。当这些非球面系数都等于零时就相当于球面。
当透镜阵列片10被相互紧密接合或者如图13A或13B所示在透镜阵列片被层压的情况下，所述透镜阵列片可被对接定位。从而，就有无需提供任何部件来确定相邻透镜阵列片间距离的优点。另外，可将每个透镜阵列片制成，使其厚度在装配后强度得以增强。图15A是表示由两个透镜阵列片组成所述透镜阵列叠层时的光路示意图。图15B是表示由三个透镜阵列片组成所述透镜阵列叠层时的光路示意图。
在本发明中，设置3至9排的透镜元件，从而得到一种尺寸较小、明亮而又很少不均匀的光学系统。顺便提及，如果设置2排或更少排的光学元件，则会使主扫描方向上亮度的不均匀性变大。如果为减小这一不均匀性而使工作长度变长，则沿着排的方向上的孔就变得很小，以至使会透镜不良地变暗。通过增加透镜的排数，可以得到透镜阵列的不均匀性较小。但是，如果透镜的排数大于9，则光学系统的尺寸就变得相当大。从这些事实中，最好将透镜的排数设定在3至5的范围内。(例6)
采用各种结构的透镜阵列叠层，其中两个或三个透镜阵列片被紧密层压，每个都透镜阵列片布置有大量凸-凸形透镜元件，通过光学设计模拟，得到的透镜面外形可以提高分辨率MTF(调制传递函数)。
在下文中，为了简化描述，利用一系列的符号“αsβrγ-x”来指明对透镜阵列叠层的说明，其中α、β和γ分别表示透镜阵列片的数量、透镜的排数和透镜阵列叠层孔径张角的数字，x是一个字母。x＝“A”表示只有最外面的透镜面是非球形的情形。x＝“B”表示所有透镜面都是非球面的情形。X＝“O”表示所有透镜面都是球面的情形(比较例)。例如，在“3s5r16-A”符号表示的情形下，这个符号标记就表示一个透镜阵列叠层，它由三个透镜阵列片组成，这三个透镜阵列片中的每一个都具有布置成5排的透镜元件，并具有16度的孔径张角，并且其中只有最外面的透镜面是非球形的。
模拟条件如下。(a)对于表16中所示设定的每个透镜阵列叠层，确定非球面系数以使MTF最大。该透镜阵列片被假定相互间紧密接触。(b)在假定漫射光可被去除时，在形成图像的有效光射线的基础上进行所述模拟。因此，给出一个充分遮光的单元(比如一个遮光膜，设在相邻透镜元件间位于每个透镜阵列片表面内，或者位于设在每个透镜阵列片外面隔墙表面内)，用以消除任何闪光或任何重影。(c)表17中示出每种结构中各个透镜阵列片的基本尺寸(曲率半径R、透镜阵列片厚度t、透镜元件半径r和工作长度L)。顺便提及，奇数面的标记R是正的，偶数面是负的。虽然假设各透镜元件被布置成使彼此相邻，但是任一设置方法，如六角对称或四方对称也是可用的。作为选择，也可使用密集布置。(d)为了达到亮度，将透镜阵列的孔基本上成形为类似于圆形，以便沿主扫描方向和副扫描方向尺寸相等。(e)参数值被设定如下。
光源波长λ＝700nm
透镜材料的折射率n＝1.53[表16]
结构符号表示3s3r163片、3排、16度
O所有的面都是球面。
A只有第一和最后的面是非球面。
B所有的面都是非球面。
AS非球面。
AS-2对称于第二面的非球面。[表17]
模拟结果如下。(1)表18示出每种透镜结构的最佳非球面系数。顺便提及，系数CC的标记(sign)并不依赖于透镜面的方向，但是表18中示出的每个AD至AG系数在偶数面都被乘以-1，使每个AD至AG系数的标记都被转换。(2)表19总体地示出各种范围的结果，其中可以看出MTF改善的效果。(3)图16示出每个具有代表性的例子3s3r16-A、3s3r16-B和3s3r16-O中绘制的MTF与空间周波数不同的输入图像之间关系的情形。[表18][表19]
从表19中明显可见，在2片结构中非球面系数最好满足-0.6＜CC＜0的范围，在3片结构中非球面系数最好满足-5＜CC＜2.2的范围。因为系数AD至AG依赖于透镜半径r，所以不能普遍地确定系数AD至AG。但是，在这种类型的图像转印装置的一般的透镜半径(大约0.15mm到大约0.2mm)下，最好如下设定系数AD和AE
在两片结构中，|AD|0至22，|AE|0至950；
在三片结构中，|AD|0至55，|AE|0至2800。
从图16示出的结果也可以明显地看出，与比较例(3s3r16-O)相比，按照本发明的每个举例(3s3r16-A和3s3r16-B)的分辨率MTF都被大大改善。当空间周波数很高时，这种效果尤其明显。比较其中所有透镜面都被非球面成形的例子(3s3r16-B)和其中只有最外面的透镜面被非球面成形的例子(3s3r16-A)，可以更加明显地看出，其中所有透镜面都被非球面成形的例子中，可以更大地提高分辨率。
如上所述，按照本发明的第三实施例，使两个或三个透镜阵列片被相互层压或一个接一个地被层压，每个透镜阵列片都具有布置为成排的凸-凸形透镜元件。从而，可使透镜阵列片的数目被尽可能充分地减小。于是，可以实现容易装配以及减少成本和尺寸。而且，透镜面可部分或整个非球面成形，以使透镜的外形被最优化。因此，就可达到亮度和高分辨率。
权利要求
1.一种图像转印装置，包括
形成安装单元放大光学系统的透镜阵列叠层，所述透镜阵列叠层包括第一预定复数数目的透镜阵列片，每个透镜阵列片都具有布置成第二预定复数排的凸-凸形透镜元件，并基本上沿一透镜光轴的方向被紧密层压。
2.按照权利要求1所述的图像转印装置，具中，
所述各透镜阵列片具有相同的规格；
所述第一预定复数数目是2至4；
所述第二预定复数数目是3至9；
所述每一个凸凸形透镜元件都由折射率不低于1.45的透明材料制成。
3.按照权利要求2的图像转印装置，其中，
所述每一个透镜阵列片的透镜厚度都不大于6.3mm；
所述每一个透镜阵列片的透镜数值孔径与透镜厚度的比值在0.12至0.20的范围；
所述每一个透镜阵列片的凸面曲率半径与透镜厚度的比值在0.24至0.33的范围；
所述第一预定复数数目是2。
4.按照权利要求2所述的图像转印装置，其中，
所述每一个透镜阵列片的透镜厚度都不大于8.0mm；
所述每一个透镜阵列片中的透镜数值孔径与透镜厚度的比值在0.14至0.22的范围；
所述每一个透镜阵列片的凸面曲率半径与透镜厚度的比值在0.42至0.65的范围；
所述第一预定复数数目是3。
5.按照权利要求2所述的图像转印装置，其中，
所述每一个透镜阵列片的透镜厚度都不大于8.0mm；
所述每一个透镜阵列片中的透镜数值孔径与透镜厚度的比值在0.18至0.29的范围；
所述每一个透镜阵列片的凸面曲率半径与透镜厚度的比值在0.75至1.10的范围内；
所述第一预定复数数目是4。
6.按照权利要求3至5中任一项所述的图像转印装置，其中，所述每一个透镜阵列片的透镜厚度都在4至0.5mm的范围。
7.按照权利要求3至5中任一项所述的图像转印装置，其中，所述第二预定复数数目是4至6。
8.按照权利要求1所述的图像转印装置，其中，
所述第一预定数目是3；
所述透镜阵列叠层被成形，使位于相对的侧面并且关于所述叠层中心彼此对称的透镜面被设定为曲率半径彼此相等；并且
所述透镜阵列叠层满足关系
R1≠R2和R2≠R3其中R1是外面的透镜阵列片的外透镜面的曲率半径，R2是外面的透镜阵列片的内透镜面的曲率半径，R3是中间的透镜阵列片之相对的透镜面的曲率半径。
9.按照权利要求8所述的图像转印装置，其中，所述透镜面的曲率半径R1、R2和R3的值满足关系
R1＜R2＜R3
10.按照权利要求9所述的图像转印装置，其中，所述透镜面的曲率半径R2与所述透镜面的曲率半径R1的比值满足关系
1＜R2/R1
11.按照权利要求9所述的图像转印装置，其中，所述透镜面的曲率半径R2与所述透镜面的曲率半径R1的比值满足关系
1.1＜R2/R1＜10
12.按照权利要求9所述的图像转印装置，其中，所述透镜面的曲率半径R2与所述透镜面的所述曲率半径R1的比值满足关系
1.3＜R2/R1＜5
13.按照权利要求8至12中任一项所述的图像转印装置，其中，
所述第二预定复数数目是3至9；
所述每一个凸-凸形透镜元件都由折射率不低于1.45的透明材料制成。
14.按照权利要求1所述的图像转印装置，其中，
所述第一预定复数数目是2或3；
所述透镜阵列叠层被成形，使位于相对的侧面并关于所述叠层中心彼此对称的透镜面形成对称的形状，并使至少两个透镜面被非球面地成形。
15.按照权利要求1所述的图像转印装置，其中，
所述第一预定复数数目是2；
所述透镜阵列叠层被成形，使位于相对的侧面并关于所述叠层中心彼此对称的透镜面形成对称的形状，并使至少两个外透镜面被非球面地成形。
16.按照权利要求15所述的图像转印装置，其中，定义分辨率二次曲面并作为每个非球面成形的所述透镜面基准的非球面系数CC满足关系
-0.6＜CC＜0
17.按照权利要求1所述的图像转印装置，其中，
所述第一预定复数数目是3；
所述透镜阵列叠层被成形，使位于相对的侧面并且关于所述叠层中心彼此对称的透镜面形成对称的形状，并使至少两个最外的透镜面被非球面地成形。
18.按照权利要求17的图像转印装置，其中，定义分辨率二次曲面并作为每个非球面成形的所述透镜面基准的非球面系数CC满足关系
-5＜CC＜2.2
19.按照权利要求14至18中任一项所述的图像转印装置，其中，所有透镜面都被非球面地成形。
20.按照权利要求1至5、8至12和14至18中任一项所述的图像转印装置，其中，所述图像转印装置形成用作光学印刷机的光学系统。
21.按照权利要求1至5、8至12和14至18中任一项所述的图像转印装置，其中所述图像转印装置形成用作扫描仪的光学系统。
全文摘要
一种图像转印装置，具有形成安装单元放大光学系统的透镜阵列叠层14，该透镜阵列叠层包括多个相同规格的透镜阵列片12，其中每个透镜阵列片都具有布置成数排的凸－凸形透镜元件10并且沿每个透镜光轴的方向大体上被紧密层压。一般地说，两至四个相同规格的透镜阵列片被沿每个透镜光轴的方向相互或彼此层压，每个透镜阵列片都有多个凸－凸形透镜元件，其中每个凸－凸形透镜元件的折射率不低于1.45并被布置成3至9排。最好将每个透镜阵列片成形为使透镜厚度在从大约4mm到大约0.5mm的范围，并且透镜的排数在4至6的范围。
文档编号G02B3/00GK1400483SQ0212735
公开日2003年3月5日 申请日期2002年8月1日 优先权日2001年8月1日
发明者远山实 申请人:日本板硝子株式会社