专利名称：扫描光学装置及使用这种装置的彩色成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扫描光学装置，其适用于成像设备，诸如激光束打印机(LBP)，数字复印机，或执行电子照像过程的多功能打印机。特别地，本发明涉及一种扫描光学装置，其设计用于级联式彩色成像设备，这种设备通过向多个待扫描的表面引导多个光束来形成彩色图像。
背景技术：
一种已知的扫描光学装置，诸如LBP，通过使用光偏转器，诸如旋转多面反射镜，周期地偏转根据图像信号调制并从光源元件发射的光，以执行图像记录。具有f-θ特性的一种成像光学元件适用于允许被调制的光在感光记录介质(感光鼓)表面上会聚。记录介质被这样光学扫描，从而执行成像记录。
图9是表示已知的扫描光学装置基本部分的示意图。
参见图9，从光源元件1发散的光线被准直透镜2转换为基本上平行的光，受到光阑3的限制，然后进入只在次扫描方向具有预定的折光力的柱面透镜4。
已进入柱面透镜4的平行光线在主扫描截面中平行地出射，在次扫描截面中，它们在诸如多面反射镜的光偏转器5的偏转面(反射面)5a上会聚形成线性图像。
从光偏转器5的偏转面5a被偏转的光线，通过具有f-θ特性的成像光学元件6被引导到用作为待被扫描表面的感光鼓8的表面。按箭头“A”所指方向转动光偏转器5允许在感光鼓8的表面上进行光学扫描，从而记录图像信息。
由于在办公室中彩色文档的使用正变得广泛，需要诸如LBP和数字复印机等成像设备以高速输出彩色图像。在这种环境下，一种由于其高的生产率而成为占主流的彩色成像设备是所谓的级联式彩色成像设备，其中对每一颜色准备扫描光学装置，感光部件，以及显影单元，并且它们并行设置。
存在各种类型的已知扫描光学装置，其设计用于这种级联式彩色成像设备。例如，日本专利公开No.11-223783公开了一种彩色成像设备，其中并行设置对应于(四种)各种颜色的多个扫描光学装置。此外，日本专利2725067公开了一种成像设备，其中配置在光偏转器与感光鼓表面之间的光路中的光偏转器和成像光学元件(f-θ透镜)，在对应于(四种)各种颜色的多个光束之中共享。
然而，这些扫描光学装置一般根据颜色数量需要几个成像光学元件(f-θ透镜)。此外，由于配置在光偏转器与光源元件之间的光路中的入射光学系统不能容易地在各颜色之间共享，因而必须准备多个相同的入射光学系统。
因而，设计用于级联式彩色成像设备中的扫描光学装置，与图9所示已知的单个扫描光学装置相比，结构更为复杂，成本更为昂贵。
日本专利公开No.2001-281575公开了一种扫描光学装置，其中入射光学系统在各颜色之间共享。
然而，在这种扫描光学装置中，对应于各颜色的四个光束的主光线沿平行于光偏转器的旋转轴的方向间隔开。这一结构需要大的光偏转器，以允许四个光束在偏转面上的空间分离。
换言之，由于在次扫描截面中，对应于各颜色的四个光束的主光线以直角进入光偏转器的偏转面，所以在不增加光偏转器的尺寸的情况下，四个光束的主光线在偏转面上不能空间地分隔开。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种扫描光线装置，包括具有多个发光部件的整体式多激光器(monolithic multi-laser)；光偏转器，其配置为在同一偏转面偏转从多个发光部件发射的所有多个光束；入射光学系统，其设置于整体式多激光器与光偏转器之间的光路中，并被配置为使得所有多个光束的主光线在次扫描截面以不同角度进入光偏转器的同一偏转面；分离光学系统，其被配置为使得在光偏转器的同一偏转面上被偏转的多个光束引向待被扫描的不同表面；以及成像光学系统，其被配置为使得在同一偏转面上被偏转的多个光束在待被扫描的不同表面上形成图像。
根据本发明的第二方面，第一方面的扫描光学装置还包括光阑，其设置于整体式多激光器与光偏转器之间的光路中，其中入射光系统被配置为使得从多个发光部件发射的所有多个光束通过光阑的同一孔径。
根据本发明的第三方面，提供一种扫描光学装置，包括光源元件，其具有多个发光部件；光阑；光偏转器，其配置为在同一偏转面上偏转从多个发光部件发射的所有多个光束；入射光学系统，其设置于光阑与光偏转器之间的光路中，且该入射光学系统被配置为使得从多个发光部件发射的所有多个光束通过光阑的同一孔径，并被配置为使得所有多个光束的主光线在次扫描截面中以不同角度进入光偏转器的同一偏转面；分离光学系统，其被配置为使得在光偏转器的同一偏转面上被偏转的多个光束引向待被扫描的不同表面；以及成像光学系统，其被配置为使得在同一偏转面上被偏转的多个光束在待被扫描的不同表面上形成图像。
根据本发明的第四方面，在第三方面的扫描光学装置中，光源元件具有这种结构其中，各具有多个发光部件的多个整体式多激光器被间隔开。
根据本发明的第五方面，在第一或第三方面的扫描光学装置中，在次扫描方向中，入射到光偏转器的同一偏转面上以及从该同一偏转面偏转到待扫描的不同表面上的多个光束中的相邻光束的主光线之间按弧度计的角度差θs满足θs＞(1.64×λ×|βso|)/ρ其中λ是光束的振荡波长，βso是成像光学系统在次扫描方向的横向放大率，以及ρ是在待被扫描表面上次扫描方向中的光点直径。
根据本发明的第六方面，在第一方面的扫描光学装置中，整体式多激光器是具有四个或更多发光部件的表面发射激光器。
根据本发明的第七方面，在第一方面的扫描光学装置中，整体式多激光器的发光部件的数目为待被扫描表面的数目的“n”倍，其中“n”是等于或大于二的整数。
根据本发明的第八方面，在第一或第三方面的扫描光学装置中，成像光学系统包括成像透镜，在光偏转器的同一偏转面上偏转的所有多个光束通过该透镜。
根据本发明的第九方面，在第一或第三方面的扫描光学装置中，分离光学系统由若干反射镜构成，它们用于在光偏转器的同一偏转面上偏转的多个光束的每一个。
根据本发明的第十方面，在第二或第三方面的扫描光学装置中，在次扫描方向中，于光阑与其共轭点之间，入射光学系统的横向放大率βsi的绝对值满足|βsi|≤1。
根据本发明的第十一方面，在第十方面的扫描光学装置中，设置于光阑与光偏转器之间的光路中的光学系统在次扫描方向中于光阑与其共轭点之间的横向放大率βsi满足1/20＜|βsi|＜1/3。
根据本发明的第十二方面，在第二或第三方面的扫描光学装置中，在从整体式多激光器到光偏转器的光路中，光阑设置成该光阑与整体式多激光器之间比该光阑与光偏转器之间更靠近。
根据本发明的第十三方面，在第一或第三方面的扫描光学装置中，待扫描的不同表面位于不同的图像载体上。
根据本发明的第十四方面，提供一种彩色成像设备，包括第一或第三方面的扫描光学装置，对应于各待被扫描的多个表面的多个感光部件；多个显影单元，其对应于各多个感光部件，并被配置为把静电潜像显影为调色剂图像，通过扫描光学装置以光束扫描在各感光部件上形成潜像；多个转印单元，它们对应于各多个显影单元，并被配置为向转印介质转印已显影的调色剂图像；以及定影器，其被配置为熔凝已向转印介质转印的调色剂图像。
根据本发明的第十五方面，第十四方面的彩色成像设备包括打印机控制器，其被配置为把从外部装置输入的代码数据转换为图像信号，并把该图像信号输入到扫描光学装置。
根据本发明的第十六方面，提供一种彩色成像设备，包括多个第一或第三方面的扫描光学装置；对应于待被扫描的各多个表面的多个感光部件；多个显影单元，它们对应于该各多个感光部件，并被配置为把静电潜像显影为调色剂图像，通过多个扫描光学装置以光束扫描在各感光部件上形成潜像；多个转印单元，它们对应于各多个显影单元，并被配置为把已显影的调色剂图像转印到转印介质；以及定影器，其被配置为把已转印的调色剂图像熔凝到转印介质。
根据本发明的第十七方面，第十六方面的彩色成像设备还包括打印机控制器，其被配置为把从外部装置输入的代码数据转换为图像信号，并把该图像信号输入到该多个扫描光学装置。
本发明提供次扫描方向中的角度差，这对于在光偏转的同一偏转面上，使用具有简单结构的入射光学系统分开从位于同一基片上的多个发光部件发射的多个光束而不会增加整个设备的尺寸和成本来说是需要的。这样，来自单个光源元件的多个光束，由共享的入射光学系统引导到光偏转器的同一偏转面，被该同一偏转面偏转，并通过由多个分离光学元件组成的分离光学系统引向不同的对应于各颜色的感光鼓。这样就实现了尺寸小、成本低的一种扫描光学装置和成像设备。
从以下参照附图对示例性实施例的说明，本发明进一步的特点将变得明显。
图1示出根据本发明第一实施例，在主扫描截面中的扫描光学装置的一个平面。
图2示出根据本发明第一实施例，在次扫描截面中的一个平面，该平面在扫描光学装置中从光源元件延伸到光偏转器。
图3示出根据本发明第一实施例，在次扫描截面中的一个平面，该平面在扫描光学装置中从光偏转器延伸到待被扫描表面。
图4示出根据本发明第一实施例，在次扫描截面中的一个平面，该平面在扫描光学装置中从光偏转器延伸到待被扫描表面。
图5A和图5B的每一个示出根据本发明第一实施例，在次扫描截面中的一个平面，该平面从到扫描光学装置的光源元件延伸到光偏转器。图5A只示出四个光束的主光线。图5B示出主光线和边缘光线。
图6示出根据本发明第三实施例的成像设备。
图7示出根据本发明第二实施例的扫描光学装置的主扫描截面中的一个平面。
图8示出根据本发明第二实施例，在次扫描截面中的一个平面，该平面在扫描光学装置中从光源元件延伸到光偏转器。
图9是已知的扫描光学装置的透视图。
图10示出根据本发明第二实施例的扫描光学装置的光源元件中的发光部件阵列。
图11示出本发明第一实施例的像差图。
具体实施例方式
本发明的第一实施例采用了具有三个或更多发光部件的光源。最好使用垂直腔面发射激光器(Vcsel)，因为在其结构中光是在正交于半导体基片的方向中发射的。使用这样的器件，与已知的端面发射半导体激光器相比，增加发光部件的数目、实现二维并行集成以及定义发光部件的布局要容易得多。
使用这样的光源，能够把从在同一表面上具有多个发光部件的光源发射的颜色不同的光束分开。由于多个光束可被引向任何用于形成单色的感光鼓，因而使用所谓的多光束扫描技术就能够增加扫描速度。
在这样的环境中，本实施例提供了一种结构，其中无须增加整个设备的尺寸及其结构的复杂性，通过共享的入射光学系统使来自在同一表面上有多个发光部件的光源的多个光束整形，并使在光偏转器的同一偏转面上被偏转的多个光束通过分离光学系统，诸如反射镜，引向用于各颜色的感光鼓，从而实现一种结构简单、尺寸小、成本低的扫描光学装置和成像设备。
本发明中要使用的Vcsel包括四个或八个发光部件。虽然发光部件的数目可以是任何等于或大于二的数，但希望包含四个或更多发光部件以实现高速扫描。
第一实施例图1示出根据本发明第一实施例的扫描光学装置的一个平面。图1省略了以下将要说明并在图3所示的一个分离光学系统。
图2和图3的每一个表示根据本发明第一实施例的扫描光学装置的一个平面。图2表示从光源元件1到光偏转器(多面反射镜)5的光路，而图3表示从光偏转器5到被扫描表面(感光鼓)的光路，它们在以下将称为“被扫描表面”。
本发明中，主扫描截面示出为是其法线为光偏转器的旋转轴的一个平面，而次扫描截面示出为是包含成像光学系统的光轴并与主扫描截面正交的一个平面。
本发明中，主扫描方向是与成像光学系统光轴正交、定义在主扫描截面中的一个方向(即，光束被移动而用于扫描的方向)，同时次扫描方向是与成像光学系统的光轴正交、定义在次扫描截面中的一个方向(即图像载体的移动方向)。
用作为光源元件1的半导体激光器是具有四个发光部件的Vcsel，这四个发光部件沿次扫描方向排列，并且在主扫描方向不彼此隔开。
因而，四个发光部件在表示扫描光学装置的主扫描截面的图1中可作为单个点对待。由于从四个发光部件发射的四个光束完全彼此重叠，因而图1中只示出四个发光部件中的一个。在来自光源元件1的四个发散的光束11k，11c，11m和11y由共享的准直透镜2转换为四个平行光束之后，主扫描方向中光束的宽度和次扫描方向中光束的宽度由光阑3限制。
第一实施例使用一种未充满(underfilled)光学系统，其中在偏转面上入射的光束在主扫描方向的宽度小于偏转面在主扫描方向的宽度。
随后，四个光束进入只在次扫描方向有预定折光力的柱面透镜4，并由一个反射镜反射。然后，在次扫描方向，光束会聚，以在光偏转器5的偏转面5a附近形成一个图像。在主扫描方向，光束进入光偏转器5的偏转面5a，同时保持彼此平行。
以下将说明本实施例中使用的Vcsel。
因为光在与半导体基片正交的方向上发射的这一结构，本实施例中使用的Vcsel的特征在于，与已知的端面发射半导体激光器的情形相比，增加发光部件的数目、实现二维平行集成以及定义发光部件的布局要容易得多。
本实施例中使用的Vcsel(发光部件的间隔为500μm或更小)是一种整体式多半导体激光器。
整体式多半导体激光器是在同一基片上设置有多个发光部件的激光器。
光偏转器5由驱动单元诸如电动机(未示出)驱动，以在由箭头“A”(图1)指示的方向以恒定速度转动。由光偏转器5的同一偏转面5a偏转的四个光束进入具有f-θ特性的成像光学元件6。本实施例中，成像光学元件6是单透镜，四个光束一起通过该透镜。在由成像光学元件6校正了主和次扫描方向上的f-θ特性和像场弯曲之后，这四个光束进入用作为对各光束设置的分离光学元件的第一反射镜71k，71c，71m和71y(参见图3)。同时某些光束暂时被引向第二反射镜72k，72m和72y，这四个光束最终被引导到被扫描表面8上对应的感光鼓8k，8c，8m和8y。在箭头“A”的方向上转动光偏转器5引起在被扫描表面8上由箭头“B”指示的方向(图1)上的光学扫描。这允许在各感光鼓8k，8c，8m和8y上形成扫描线，从而进行彩色图像记录。
成像光学元件6用作为歪斜校正(tangle error correction)系统，用来校正光偏转器5的每一偏转面5a的歪斜。成像光学元件6允许在偏转面5a上的一个偏转点与被扫描表面8上一个成像点之间具有共轭关系。
现在将说明多个相邻光束的分离，这些光束来自在同一基片上有多个发光部件的光源元件1(即光源在单个基片上具有多个发光部件)。有两种已知的方法分离在次扫描截面中的多个光束。一种方法是空间分离法，其中，多个光束的主光线在次扫描截面中相对于与光偏转器的旋转轴正交的一个平面(即主扫描截面)被准直。就是说，空间分离方法是这样一种方法，其中在次扫描截面中，多个光束的主光线以直角进入光偏转器的偏转面。另一方法是角度分离方法，该方法使得光束以不同角度进入光偏转器的偏转面，从而在次扫描截面中分离多个光束。
空间分离方法是这样一种方法，其使得四个光束进入光偏转器5的偏转面5a，同时使四个光束彼此平行，以及使得四个光束间隔开，以达到它们不会在空间上彼此重叠的程度。使用这一空间分离方法最主要的问题在于，光偏转器5和入射光学系统的尺寸(包括准直透镜2和柱面透镜4)在次扫描方向上增加，以及在于，难以共享成像光学元件6，因为光束在光偏转器5上被很宽地分离开。这导致扫描光学装置增加的尺寸和成本，并抵销了允许从光源元件1到入射光学系统延伸的各组件被共享的优点。
另一方面，角度分离方法是这样一种方法，其使得四个光束在次扫描截面中有角度差的情况下进入光偏转器5的偏转面5a上的相邻点(在技术上是分隔开的)，从而在四个光束已通过成像光学元件6之后，使用在次扫描截面中的角度差分开该四个光束。这一方法不增加光偏转器5和入射光学系统(包括准直透镜2，光阑3和柱面透镜4)的尺寸，并因此能够实现一种紧凑而低廉的扫描光学装置。然而，这一方法的问题在于，像差不易由成像光学元件6校正，因为光束以大角度进入光偏转器5。
这一问题可通过向成像光学元件6施加调节而解决。其细节在下面说明。
因为其尺寸和成本的优点，第一实施例使用上述角度分离方法，这使得四个光束通过在光偏转器5上把它们调节到不同角度而被分离。由于必须避免相邻的光束彼此重叠，在次扫描方向中相邻光束的主光线之间的角度差必须大于光偏转器5上次扫描方向中F数的倒数。
因而，将被引向不同感光鼓8k，8c，8m和8y的相邻光束的主光线之间的角度差θs(按弧度计)必须满足θs＞1/Fno.Por这里Fno.Por是次扫描方向中光偏转器5上的F数。
光偏转器5上次扫描方向中的F数“Fno.Por”可表示如下Fno.Por＝ρ/(1.64×λ×|βso|)这里λ是从光源元件1发射的光束的振荡波长，βso是次扫描方向中成像光学元件6的横向放大率，而ρ是被扫描表面8上次扫描方向中的光点直径。因而，被引向不同感光鼓8k，8c，8m和8y的相邻光束的主光线之间的角度差θs(按弧度计)必须满足θs＞(1.64×λ×|βso|)/ρ...条件表达式A现在将说明条件表达式A左侧的光学参数。
考虑被扫描表面8上的像差(像场弯曲和失真)，希望成像光学元件6在次扫描方向中的横向放大率βso的值满足0.5≤|βso|≤3.0。
考虑LBP或数字复印机的分辨率，希望被扫描表面8在次扫描方向中光点直径ρ的值满足30≤ρ≤100(μm)。
考虑包含在LBP或数字复印机中的光源元件1的振荡波长，从光源元件1发射的光束的振荡波长λ的值能满足380≤λ≤820(nm)，这包括红外光(780nm)，可见光(670nm)，蓝光(405nm)等。
表1示出第一实施例中的光学设计参数。参见表1，“No.”表示表面编号，“Ry”表示主扫描方向中的曲率半径(mm)，“Rz”表示次扫描方向中的曲率半径(mm)，“Asph.”表示非球面系数，“D”表示表面间隔(mm)，“玻璃”表示材料的类型，以及“N”表示折射率。
光阑3具有椭圆形的单个的孔径。孔径的尺寸在主扫描方向为3.4mm宽，在次扫描方向为0.8mm宽。
由玻璃制成的准直透镜2的入射表面是平表面，而其出射表面是旋转对称的非球面。
准直透镜2的出射表面的形状由以下定义X=h2R1+1-(1+k)(hk)2]]>......公式1这里X是准直透镜2的光轴方向，而h是径向。
柱面透镜4在主扫描方向的入射表面是不具有光焦度(un-powered)的(平坦的)，在次扫描方向是非球面(非圆形)的并具有正的光焦度。
由玻璃制成的柱面透镜4的出射表面形状按以下定义X=Z2R1+1-(1+kz)(ZR)2]]>......公式2这里x是光轴方向，而Z是次扫描方向。
表1光学配置
光源
倾斜角度(度)
其它
光学配置
非球面系数
成像光学元件6的入射表面的形状定义如下X=Y2R1+1-(1+k)(YR)2+B4×Y4+B6×Y6+B8×Y8+B10×Y10]]>......公式3这里X是光轴方向，Y是主扫描方向，R是在主扫描方向中沿光轴的曲率半径，k，B4，B6，B8及B10是非球面系数。
成像光学元件6的出射表面6b的形状定义如下X=Y2R1+1-(1+k)(YR)2+ΣΣEij×YiZj]]>......公式4其中X是光轴方向，Y是主扫描方向，Z是次扫描方向，R是在主扫描方向中沿光轴的曲率半径，k和Eij是非球面系数。
如表1所示，由塑料制成的成像光学元件6的入射表面6a在主扫描截面中的形状是非球面(非圆形)的，在次扫描截面中的形状是平坦(线性)的，并且只在主扫描方向是具有光焦度(折光力)的柱面。由塑料制成的成像光学元件6的出射表面6b在主扫描截面中的形状(母线方向)是圆形的，在次扫描截面中的形状(在垂直于母线的方向)是非圆形的，并且是一个自由形态表面，其中曲率半径和非球面区域沿主扫描方向(母线方向)随着与光轴的距离而连续变化。
此外，由塑料制成的成像光学元件6的主扫描截面中的非球面的非球面形状在曲率变化中没有拐点。
现在将详细说明出射表面6b的形状。
出射表面6b在次扫描截面中的形状(在垂直于母线的方向)整体上是非圆形(非球面)的。出射表面6b的曲率半径的绝对值随着沿主扫描方向与光轴的距离而增加。出射表面6b的非球面区域也沿主扫描方向随着与光轴的距离而增加。垂直于母线方向中的曲率半径以非对称方式，在成像光学系统光轴的两端以及在主扫描方向的左侧和右侧发生变化。
使用上述形状的出射表面6b，感光鼓8k，8c，8m和8y上的照射位置，比在次扫描方向中由光偏转器偏转的光束到达成像光学元件6的入射表面6a及出射表面6b的位置更靠近光轴。因而，通过使照射位置对准图像高度，扫描线的曲率能够被校正到有效的程度。
虽然透镜的形状如以上所定义，但本发明不限于上述定义。
图11示出本实施例的扫描光学装置的光学特性(即，主扫描方向中的像场弯曲，次扫描方向中的像场弯曲，失真，以及照射位置)。图11示出对于每一光束保证基本没有问题的光学特性。
在第一实施例中，从光源元件1的四个发光部件发射的光束的振荡波长λ为0.78μm(红外光)，成像光学元件6在次扫描方向的横向放大率βso为2.36，被扫描表面8上次扫描方向中的光点直径ρ为70μm，角度差θs必须满足按弧度计的θs＞0.043或按度数计的θs＞2.47。如表1所示，第一实施例中，四个光束对于正交于光偏转器5旋转轴的平面的角度为±8.25°及±2.68°，而次扫描方向中在同一偏转面上偏转的相邻光束(即，11y和11m，11m和11c，11c和11k)之间的角度差θs设置在落入5.36°到5.57°的范围内。这些角度足以进行角度分离。
现在将说明第一实施例的分离光学系统。如图3所示，第一实施例中，第一和第二反射镜71k，71y，71m，71c，72k，72y和72m用作为构成分离光学系统的分离光学元件。在由成像光学元件6折射之后，多个光束由第一和第二反射镜71k，71y，71m，71c，72k，72y和72m在不同点偏转。虽然第一和第二反射镜71k，71y，71m，71c，72k，72y和72m提供了最简单且最廉价的分离光束的方法，但使用能够降低多个光束的主光线之间的角度的反射棱镜，提供了与第一和第二反射镜71k，71y，71m，71c，72k，72y和72m类似的效果。
第一实施例中的第一与第二反射镜71k，71y，71m，71c，72k，72y和72m是平面镜。
虽然第一实施例的分离光学系统的构成使得每一光束对应于反射镜71c、反射镜对(71k和72k)、(71y和72y)、(71m和72m)中之一，但分离光学系统的结构不限于此。
例如，分离光学系统可这样构成，即，使得每一光束对应于单个的反射镜，或每一光束对应于两个或更多个反射镜。
以下将说明第一实施例的成像光学元件6。本实施例中，由于光束由角度分离方法分离，从光偏转器5发射的光束以在次扫描方向变化的大角度进入成像光学元件6，并且必须同时对这种变化角度的光束施加像差校正。
图4示出根据第一实施例的扫描光学装置，从光偏转器到被扫描表面8的一个次扫描截面。除了省略了图3所示的分离光学系统之外，图4与图3等同。如图4所示，由于多个光束由第一实施例的角度分离方法分离，光偏转器5的偏转面5a上的四个光束51k，51c，51m和51y，以及被扫描表面8上的四个光束81k，81c，81m和81y彼此靠近。偏转面5a与被扫描表面8中每一个上的四个光束的间隔小于或等于100μm，这比成像光学元件6的焦距小得多。因而，如果这两个位置的每一个上的四个光束作为单个点处理，在光学上是没有问题的。
这种情形下，光束从近似的一个点发散并会聚到另一个点而形成图像。为了同时校正角度变化的多个光束的像差，必须在主扫描方向中的每一位置，在四个光束通过的范围内，在次扫描方向中校正成像光学元件6的球面像差。
因而在第一实施例中，成像光学元件6的出射表面6b在次扫描方向是非圆形的，且次扫描方向中的该非圆形表面区域在主扫描方向沿轴是变化的。这允许在次扫描方向中于每一扫描位置(每一图像高度)校正球面像差。即使次扫描方向中的入射角大，也可校正多个光束在次扫描方向中的像场弯曲，以及多个光束的扫描线曲率。使用成像光学元件6的简单结构能够克服上述角度分离方法的问题。
第一实施例的成像光学系统由单透镜组成。然而，即使成像光学系统由多个成像光学元件组成，并且即使次扫描方向中的入射角大，仍然能够校正多个光束在次扫描方向中的像场弯曲，以及该多个光束的扫描线曲率。
例如，成像光学系统可具有一种结构，其中四个光束通过其的共享的第一成像透镜设置成与光偏转器5相邻，同时用于各光束的四个第二成像透镜设置成与被扫描表面8相邻。
以下将说明第一实施例的光源元件1。如上所述，本实施例的光源元件1是一种具有四个彼此相邻的发光部件的Vcsel。
因为光在正交于半导体基片的方向上发射的这一结构，Vcsel的特征在于，它与已知的端面发射的半导体激光器的情形相比，增加发光部件的数目、实现二维并行集成、以及定义发光部件的布局要容易得多。
因而，与已知的端面发射半导体激光器的情形相比，Vcsel更适合于分离来自单个光源元件的若干光束。Vcsel还能够这样构成，使得来自八个发光部件的光束被引向四个感光鼓8k，8c，8m和8y，其中两个光束用于每一感光鼓，或使得来自16个发光部件的光束被引向四个感光鼓8k，8c，8m和8y，其中四个光束用于每一感光鼓。
因而，希望光源元件1中发光部件的数目是感光鼓数目的整数倍。
以下将说明第一实施例的入射光学系统(即，从光源元件1延伸到光偏转器5的光学系统)。图5A和图5B的每一个表示根据本发明第一实施例，从扫描光学装置的光源元件1延伸到光偏转器5的一个次扫描截面。图5A只示出四个光束的主光线。图5B示出四个主光线中之一和边缘光线。从单个的光源元件1发射的四个光束由准直透镜2准直，并进入紧接着准直透镜2设置的光阑3。四个光束的主光线在光阑3的孔径中的同一点处彼此相交。
多个光束的每一个的主光线的出射角由与每一个发光部件的光轴的间隔以及由光阑3的位置来定义。为了增加在次扫描方向从光源元件1的出射角，希望光阑3与其对光偏转器5的位置相比更靠近光源元件1。
来自光阑3的多个光束由柱面透镜4折射朝向光阑3的共轭点，所述共轭点位于光偏转器5之后。为了在次扫描方向增加进入光偏转器5的同一偏转面5a的多个光束的每一个的主光线的入射角(换言之，为了增加相对于正交于光偏转器5的旋转轴的平面的角度)，需要使通过柱面透镜4在次扫描截面中于光阑3与其共轭点之间进行的成像形成一个缩小的图像(|βsi|≤1)。
因而，如果在次扫描方向中光阑3与其共轭点之间柱面透镜4的横向放大率的绝对值满足|βsi|≤1，则能够在次扫描截面中增加来自光源元件1的多个光束的主光线的出射角。
换言之，在次扫描方向，进入偏转面5a的光束的主光线的入射角定义为是在次扫描截面中由光偏转器5的偏转面5a的法线与光束的主光线所形成的角度。
这种情形下，希望在次扫描方向中光阑3与其共轭点之间柱面透镜4的横向放大率βsi满足条件1/20＜|βsi|＜1/3。
这一条件等价于3＜|θp/θa|＜20，其中θa是来自光阑3的光束的主光线相对于柱面透镜4的光轴在次扫描方向中的倾角，而θp是进入光偏转器5的光束的主光线在次扫描方向中的倾角。
如果超过这一条件的上限，则难以添加入射光学系统，因为光阑3与柱面透镜4之间增加的距离降低了柱面透镜4与光偏转器5的偏转面5a之间的距离。如果低于这一条件的下限，则不能保证对于多个光束的分离所必须的分离角度。
最好还满足条件1/15＜|βsi|＜1/8。
第一实施例中，如表1所示，从在光源元件1的底部的发光部件发射的光束的主光线在次扫描方向中相对于柱面透镜4的光轴的倾角θa设置为0.77°，而进入光偏转器5的光束的主光线在次扫描方向中的倾角θp设置为-8.25°。这给出|θp/θa|＝10.7，这不仅允许安装入射光学系统(包括准直透镜2，光阑3和柱面透镜4)，而且还允许多个光束在光偏转器5之后的位置分离。虽然在次扫描方向其它三个光束的入射角是变化的，但|θp/θa|的值相同。
至于第一实施例的入射光学系统的尺寸，由于柱面透镜4上多个光束的主光线之间的间隔大到5.6mm，柱面透镜4必须具有对应于这一间隔的外径。然而，这一尺寸小于已知的光学系统的尺寸，在已知的光学系统中，多个光束的主光线在次扫描截面中相对于正交于偏转器旋转轴的平面(主扫描截面)是平行的(即，已知的光学系统中，多个光束的主光线在次扫描截面中以直角进入光偏转器的偏转面)。此外，易于调节柱面透镜4的尺寸以适应这一间隔，因为其能够由塑料制成。
由于光束(它们在技术上是间隔开的)于最好由玻璃制成的准直透镜2上以及在最好由金属制成的光偏转器5上在空间上几乎彼此重叠，所以准直透镜2和光偏转器5的尺寸可与已知类型的相同。
因而，第一实施例的入射光学系统具有胜过已知的光学系统的若干重要优点，在已知光学系统中，多个光束的主光线在次扫描截面中相对于正交于光偏转器旋转轴的平面(主扫描截面)是平行的(即，已知的光学系统中，多个光束的主光线在次扫描截面中以直角进入光偏转器的偏转面)，并且由于使用就处理来说相对昂贵的光学元件，因而其尺寸很大。
第一实施例中，通过柱面透镜4在次扫描截面中于光阑3与其共轭点(位于偏转面5a之后)之间进行成像，形成缩小的图像(1/20＜|βsi|＜1/3)。因而，使用入射光学系统的简单结构，且无须增加整个设备的尺寸和成本，就能够保证在次扫描方向中的角度差，这是为了在光偏转器5上分离从多个相邻发光部件发射的多个光束所必须的。
第一修改型第一实施例中，单个的f-θ透镜用作为构成成像光学系统的成像光学元件。然而，本发明不限于此，可使用两个或更多个f-θ透镜替代单个f-θ透镜。成像光学元件甚至可以是衍射光学元件或曲面反射镜以代替透镜。
虽然在第一实施例中使用了未充满的光学系统，但可替代地使用一种过充满的(over-filled)光学系统，其中入射到偏转面上的光束在主扫描方向上的宽度大于偏转面在主扫描方向上的宽度。
代替在第一实施例中使用的平面镜，可使用曲面反射镜作为构成分离光学系统的分离光学元件。这种情形下，对曲面反射镜添加了成像能力。
第一实施例的光源元件1是在单个基片上具有多个发光部件的Vcsel(整体式多半导体激光器)。然而，本发明的光源可以是这样的多个端面发射半导体激光器以微小间隔(间隔为500μm或更小)配置，每一个所述的激光器具有多个发光部件。
例如，代替第一实施例中的Vcsel，可使用一种光源，其中两个端面发射半导体激光器以微小间隔(间隔为500μm或更小)配置，每一个所述的激光器具有两个发光部件。
第二实施例图7示出根据本发明第二实施例的扫描光学装置的主扫描截面。图8示出在根据本发明第二实施例的扫描光学装置中的一个次扫描截面，其从光源元件1延伸到光偏转器5。第二实施例基本上与第一实施例相同，所不同之处在于，光源元件1具有发光部件的二维阵列，并且一个凹透镜添加到入射光学系统。
第二实施例的光源元件1也是Vcsel。如图10中所示，光源元件1具有一个二维阵列，该阵列包括排列成两列(对应于主扫描方向)四行(对应于次扫描方向)的八个发光部件1k-1，1k-2，1m-1，1m-2，1c-1，1c-2，1y-1和1y-2。
本实施例中使用的Vcsel(具有间隔为500μm或更小的发光部件)是整体式多半导体激光器。
整体式多半导体激光器是在同一基片上配备有多个发光部件的激光器。
如图10所示，本实施例中的发光部件阵列是一个二维阵列，其中连接行方向(对应于次扫描方向)中的发光部件的线段不与连接列方向(对应于主扫描方向)中的发光部件的线段相交。然而，可使用这样的光源元件1，其具有这种线段以直角相交的发光部件的阵列，并使其围绕发光部件的基片的法线转动。
从光源元件1发射的八个光束由准直透镜2准直，并进入紧接着准直透镜2配置的光阑3。八个光束的主光线在光阑3的孔径的位置处彼此相交。图7为了简单只示出单个光束，而其它光束没有示出。
图8只示出在次扫描方向被分离的四个光束12k-1，12m-1，12c-1和12y-1，而其它四个光束12k-2，12m-2，12c-2和12y-2未示出，因为它们重叠在所示的四个光束上。
来自光阑3的多个光束只在次扫描方向中由具有负光焦度的柱面透镜41折射，并且只在次扫描方向中由具有正光焦度的柱面透镜42朝向位于光偏转器5之后的光阑3的共轭点折射。如在第一实施例的情形中那样，为了增加进入光偏转器5的同一偏转面的多个光束的每一个的主光线在次扫描方向的入射角(换言之，为了增加相对于正交于光偏转器5的旋转轴的平面的角度)，有必要使得通过柱面透镜41和42在次扫描截面中于光阑3及其共轭点之间进行的成像形成一个缩小的图像。
因而，如果在次扫描方向，于光阑3及其共轭点之间柱面透镜41和42的横向放大率的绝对值满足|βsi|≤1，则能够增加在次扫描截面中来自光源元件1的多个光束主光线的出射角。
特别地，在第二实施例中，由于只在次扫描方向具有负光焦度的柱面透镜41被设置于光阑3与只在次扫描方向具有正光焦度的柱面透镜42之间，以提供一对负和正柱面透镜，由这两个柱面透镜定义的主平面的位置可在次扫描方向中朝向光偏转器5偏移。这在光阑3与柱面透镜42之间不留有很大距离的情况下保持了横向放大率较低，就是说，在次扫描方向增加了进入光偏转器5的同一偏转面的多个光束的每一个的主光线的入射角。
换言之，在次扫描方向，进入偏转面的光束的主光线的入射角被定义为是由光偏转器5的偏转面的法线和光束的主光线形成的角。
表2示出第二实施例中的光学设计参数。参见表2，“No.”表示表面编号，“Ry”表示主扫描方向中的曲率半径(mm)，“Rz”表示次扫描方向中的曲率半径(mm)，“Asph.”表示非球面系数，“D”表示表面间隔(mm)，“玻璃”表示材料类型，以及“N”表示折射率。
由玻璃制成的准直透镜2的入射表面是一个平表面，而其出射表面是一个旋转对称非球面。
光阑3是椭圆形的。光阑3具有一个孔径，该孔径的尺寸在主扫描方向为3.4mm宽，在次扫描方向为0.8mm宽。
柱面透镜41的入射表面在主扫描方向是无光焦度(平坦)的，在次扫描方向是非球面(非圆形)的并具有负光焦度。
柱面透镜42的入射表面在主扫描方向是无光焦度(平坦)的，在次扫描方向是非球面(非圆形)的并具有正光焦度。
准直透镜2，柱面透镜41和柱面透镜42的形状由与第一实施例中相同的公式定义。
表2光学配置
光源
倾斜角度(度)
其它
配置在光偏转器5之后的成像光学元件(f-θ透镜)6和分离光学系统的结构和配置与第一实施例的相同。基于这样的结构和配置的光学特性也与第一实施例的相同。
类似于第一实施例，希望光阑3及其共轭点之间在次扫描方向上柱面透镜41和42的横向放大率满足条件1/20＜|βsi|＜1/3。
这一条件等价于3＜|θp/θa|＜20，其中θa是来自光阑3的光束的主光线相对于柱面透镜42的光轴在次扫描方向中的倾角，而θp是进入光偏转器5的光束的主光线在次扫描方向中的倾角。
如果超过这一条件的上限，则难以添加入射光学系统，因为光阑3与柱面透镜42之间增加的距离降低了柱面透镜42与偏转面5a之间的距离。如果低于这一条件的下限，则不能保证对于多个光束分离所必须的分离角度。
最好满足条件1/20＜|βsi|＜1/3。
第二实施例中，如表2所示，从在光源元件1的底部的发光部件发射的光束的主光线在次扫描方向中相对于柱面透镜42的光轴的倾角θa设置为0.81°，而进入光偏转器5的光束的主光线在次扫描方向中的倾角θp设置为-8.65°。这给出|θp/θa|＝10.6，这不仅允许安装入射光学系统，而且还允许在光偏转器5之后设置的成像光学元件6与被扫描表面8之间的光路中，多个光束的空间分离。
如图2所示，为了防止相邻光束在次扫描截面中彼此重叠，在同一偏转面上被偏转并被引向不同感光鼓的相邻光束的主光线之间的角度θs必须满足条件(按弧度计)θs＞(1.64×λ×|βso|)/ρ或θs＞2.47(按度数计)。类似于第一实施例，在次扫描方向于同一偏转面上被偏转的相邻光束之间的角度差θs设置为落入5.15°到5.64°的范围内。就是说，给出足以使多个光束在次扫描方向上进行角度分离的角度。
由于光偏转器5的偏转面5a是平坦的，所以θs与θp相等。
如图7所示，第二实施例的成像光学系统由单个成像光学元件6组成。
成像光学元件6用作为歪斜校正系统，用于校正光偏转器5的偏转面5a的歪斜。成像光学元件6允许在偏转面5a上的偏转点与被扫描表面8上的成像点之间具有共轭关系。
来自光偏转器5的八个光束通过共享的成像光学元件6，进入用作为分离光学元件的七个反射镜71k，71y，71m，71c，72k，72y和72m，其中每一个反射镜中两个光束，并被引向感光鼓8k，8c，8m和8y的四个相应的面，其中每一个感光鼓中两个光束。这样，在单个被扫描表面8上进行多光束扫描。
第二实施例的分离光学系统由用作为分离光学元件的七个反射镜71k，71y，71m，71c，72k，72y和72m组成。
第二实施例中使用的成像光学系统与第一实施例中使用的相同，并示于图3。
这样，第二实施例中类似于第一实施例，使用结构简单的入射光学系统，能够保证在次扫描方向中于光偏转器5上分离来自多个相邻发光部件的多个光束所需的角度差，而无须增加整个设备的尺寸和成本。
这样，来自单个光源元件1的多个光束由共享的入射光学系统导向到光偏转器5，由光偏转器5的同一偏转面5a偏转，并由分离光学元件所组成的分离光学系统引向对应于各颜色的不同的感光鼓。这样，实现了一种尺寸小、成本低的扫描光学装置和彩色成像设备。
第二实施例的特征尤其在于，使用Vcsel的二维阵列的发光部件作为光源元件1，能够使多个光束同时被引向感光鼓8k，8c，8m和8y的每一个的各自的表面，并在于，使用在次扫描方向具有负光焦度的柱面透镜41进一步降低了入射光学系统的尺寸。这进一步降低了扫描光学装置和彩色成像设备的尺寸，并增加了其扫描速度。
第二实施例中，通过柱面透镜41和42在次扫描截面中于光阑3与其共轭点(位于偏转面5a之后)之间进行成像，形成了缩小的图像(1/20＜|βsi|＜1/3)。因而，使用入射光学系统的简单结构，且无须增加整个设备的尺寸和成本，就能够保证次扫描方向中的角度差，这一角度差是为在光偏转器5上分离从多个相邻发光部件发射的光束所必须的。
第二修改型第二实施例中，单个的f-θ透镜用作为构成成像光学系统的成像光学元件。然而本发明不限于此，可使用两个或更多个f-θ透镜替代单个的f-θ透镜。成像光学元件甚至可以是衍射光学元件或曲面反射镜以替代透镜。
虽然在第二实施例中使用了未充满的光学系统，但作为替换，可以使用过充满的光学系统，其中入射在偏转面上的光束在主扫描方向中的宽度大于偏转面在主扫描方向中的宽度。
替代在第二实施例中使用的平面镜，可使用曲面反射镜作为构成分离光学系统的分离光学元件。这种情形下，向曲面反射镜添加了成像能力。
第二实施例中的光源元件1是在单个基片上具有多个发光部件的Vcsel(整体式多半导体激光器)。然而，本发明的光源可以是其中多个端面发射半导体激光器以微小间隔(500μm或更小)配置的光源，每一个所述的激光器具有多个发光部件。
例如，在第二实施例中代替Vcsel，可使用这样一种光源，其中以微小间隔(500μm或更小)配置两个端面发射半导体激光器，每一个所述的激光器具有四个发光部件。
第三实施例图6示出本发明的一个彩色成像设备160的基本部件。参见图6。彩色成像设备160包括扫描光学装置110，其具有第一和/或第二实施例的各自的结构，感光鼓121，122，123和124，每一个用作为图像载体，显影单元131，132，133和134，及传送带151。
图6中，红色(R)，绿色(G)和蓝色(B)信号从外部装置152，诸如个人计算机，输入到彩色成像设备160。这些图像信号由彩色成像设备160中的打印机控制器153转换为青色(C)，品红(M)，黄色(Y)和黑色(B)的各图像数据(点数据)，这些数据被输入到扫描光学装置110。根据各图像数据调制的光束141，142，143和144从光学扫描装置110发射。在主扫描方向中利用这些光束扫描感光鼓121，122，123和124。
如上所述，本实施例的彩色成像设备使用基于来自扫描光学装置110的各图像数据的四个光束，在感光鼓121，122，123和124的对应的表面上形成各种颜色的潜像，然后通过潜像的多次转印在记录介质上生成单个全色图像。
例如，可使用包括电荷耦合器件(CCD)传感器的彩色图像读取设备作为外部装置152。这种情形下，彩色图像读取设备和彩色成像设备160一起构成彩色数字复印机。
本实施例中，只使用带有已知组件(诸如准直透镜2，光阑3和柱面透镜4)的入射光学系统，就能够给出在光偏转器5上分离来自相邻发光部件的多个光束所需的角度差，而无须增加整个设备的尺寸和成本。这提供了一种光学系统，其中来自单个光源元件1的多个光束由共享的入射光学系统导向到光偏转器5，由光偏转器5偏转，并由包括反射镜的分离光学系统引向对应于各颜色的感光鼓，从而实现了一种尺寸小、成本低的扫描光学装置和成像设备。
虽然对本发明已参照示例性实施例进行了说明，但应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围符合最广的解释，以涵盖所有的修改型，等同物结构和功能。
权利要求
1.一种扫描光学装置，包括具有多个发光部件的整体式多激光器；光偏转器，其被配置为在同一偏转面偏转从该多个发光部件发射的所有多个光束；入射光学系统，其设置于该整体式多激光器与该光偏转器之间的光路中，并被配置为使得所有多个光束的主光线在次扫描截面以不同角度进入该光偏转器的该同一偏转面；分离光学系统，其被配置为使得在该光偏转器的该同一偏转面上被偏转的多个光束引向待被扫描的不同表面；以及成像光学系统，其被配置为使得在该同一偏转面上被偏转的该多个光束在待被扫描的不同表面上形成图像。
2.根据权利要求1的扫描光学装置，还包括光阑，其被设置于整体式多激光器与光偏转器之间的光路中，其中入射光系统被配置为使得从该多个发光部件发射的所有多个光束通过该光阑的同一孔径。
3.一种扫描光学装置，包括光源装置，其具有多个发光部件；光阑；光偏转器，其被配置为在同一偏转面上偏转从该多个发光部件发射的所有多个光束；入射光学系统，其被设置于该光阑与该光偏转器之间的光路中，该入射光学系统被配置为使得从该多个发光部件发射的所有多个光束通过该光阑的同一孔径，并被配置为使得所有多个光束的主光线在次扫描截面以不同角度进入该光偏转器的该同一偏转面；分离光学系统，其被配置为把在该光偏转器的该同一偏转面上被偏转的多个光束引向待被扫描的不同表面；以及成像光学系统，其被配置为使得在该同一偏转面上被偏转的该多个光束在待被扫描的不同表面上形成图像。
4.根据权利要求3的扫描光学装置，其中该光源装置具有这样一种结构，其中多个整体式多激光器被间隔开，每一个激光器具有多个发光部件。
5.根据权利要求1或3的扫描光学装置，其中在次扫描方向中，入射到光偏转器的同一偏转面上以及从该同一偏转面偏转到待被扫描的不同表面上的多个光束的相邻光束的主光线之间按弧度计的角度差θs满足θs＞(1.64×λ×|βso|)/ρ其中λ是光束的振荡波长，βso是成像光学系统在次扫描方向中的横向放大率，以及ρ是在待被扫描表面上次扫描方向中的光点直径。
6.根据权利要求1的扫描光学装置，其中该整体式多激光器是一种具有四个或更多发光部件的表面发射激光器。
7.根据权利要求1的扫描光学装置，其中该整体式多激光器的发光部件的数目为待被扫描表面的数目的“n”倍，其中“n”是等于或大于二的整数。
8.根据权利要求1或3的扫描光学装置，其中成像光学系统包括成像透镜，在光偏转器的同一偏转面上偏转的所有多个光束通过该透镜。
9.根据权利要求1或3的扫描光学装置，其中分离光学系统由若干反射镜构成，所述反射镜用于在光偏转器的同一偏转面上偏转的多个光束的每一个。
10.根据权利要求2或3的扫描光学装置，其中入射光学系统在次扫描方向中于光阑与其共轭点之间的横向放大率βsi的绝对值满足|βsi|≤1。
11.根据权利要求10的扫描光学装置，其中设置于光阑与光偏转器之间的光路中的光学系统在次扫描方向中于光阑与其共轭点之间的横向放大率βsi满足1/20＜|βsi|＜1/3。
12.根据权利要求2的扫描光学装置，其中在从整体式多激光器到光偏转器的光路中，光阑被设置成该光阑与该整体式多激光器之间比该光阑与该光偏转器之间更靠近。
13.根据权利要求1或3的扫描光学装置，其中待被扫描的不同表面位于不同的图像载体上。
14.一种彩色成像设备，包括根据权利要求1或3的扫描光学装置；对应于各多个待被扫描表面的多个感光部件；多个显影单元，其对应于各多个感光部件，并被配置为把静电潜像显影为调色剂图像，借助于该扫描光学装置通过以光束扫描在各感光部件上形成这些潜像；多个转印单元，它们对应于各多个显影单元，并被配置为向转印介质转印已显影的调色剂图像；以及定影器，其被配置为熔凝已向转印介质转印的调色剂图像。
15.根据权利要求14的彩色成像设备，还包括打印机控制器，其被配置为把从外部装置输入的代码数据转换为图像信号，并把该图像信号输入到扫描光学装置。
16.一种彩色成像设备，包括多个根据权利要求1或3的扫描光学装置；多个感光部件，它们对应于待被扫描的各多个表面；多个显影单元，它们对应于各多个感光部件，并被配置为把静电潜像显影为调色剂图像，借助于该多个扫描光学装置通过以光束扫描在各感光部件上形成这些潜像；多个转印单元，它们对应于各多个显影单元，并被配置为把已显影的调色剂图像转印到转印介质；以及定影器，其被配置为把已转印的调色剂图像熔凝到转印介质。
17.根据权利要求16的彩色成像设备，还包括打印机控制器，其被配置为把从外部装置输入的代码数据转换为图像信号，并把该图像信号输入到该多个扫描光学装置。
全文摘要
一种扫描光学装置，包括入射光学系统，其使得从在同一基片上包括多个发光部件的光源元件发射的多个光束，在正交于主扫描截面的一个平面中以不同角度撞击到光偏转器的同一偏转面上，并被偏转，以在多个不同感光扫描面上形成潜像，从而实现一种尺寸小且廉价的扫描光学装置及成像设备。
文档编号G03G15/00GK1834724SQ200610059219
公开日2006年9月20日 申请日期2006年3月15日 优先权日2005年3月15日
发明者加藤学 申请人:佳能株式会社