光源单元、光学扫描装置和成像设备的制作方法

专利名称：光源单元、光学扫描装置和成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光源单元、光学扫描装置和成像设备，并尤其是涉及用于照射多个激光束的光源单元、包括该光源单元的光学扫描装置和包括该光学扫描装置的成像设备。
背景技术：
垂直腔表面发射激光器(以下也称为VCSEL)是用于在与衬底的表面垂直的方向上输出光线。VCSEL优于在平行于衬底表面的方向上发射光线的端面发光型激光器，这是由于VCSEL成本低且性能高，并且用VCSEL可以容易形成阵列。此外，对利用VCSEL作为光源而应用于如光学互连的光学通信、用于光学拾取的光源以及用于诸如激光打印机的成像设备的光源方面存在很高的期望。因此，积极地进行对VCSEL的研发，并且一些R&D的结果已经投入实际使用。通常，在利用VCSEL作为光源的光学系统中，从光源发出的光线被光学系统中的透镜和镜子反射，并且可能返回到光源。由于已经返回到光源的光线(返回光线)，在VCSEL 中的激光振荡变得不稳定，并且从光源发射的光量随时间以不规律的方式变化。光量可能以纳秒等级或者微秒等级变化。当VCSEL应用于成像和光学通信时，从光源发出的光量的稳定性是重要特性。取决于成像设备，甚至光量中很小比例的变化会导致严重问题。从而，用发出不稳定光量的光源无法形成高质量图像。在通信应用中，如果光源发出不稳定的光量，信号传输特性变差，并且光学通信不能以高性能执行。因此，已经提出各种方法，如增加对返回光线的阻抗的方法(例如，见专利文件1) 或者减少返回光线的方法(例如，见专利文件2和3)。专利文件1公开了一种表面发射激光器元件，其中，通过下部多层膜发射镜和上部多层膜反射镜形成振荡器。有源层放置在下部多层膜反射镜和上部多层膜反射镜之间。 在振荡器中，在偏置点处的驰豫振荡频率(relaxation oscillation frequency)被设定成超过调制从表面发射激光器元件输出的激光束的光学通信频率。专利文件2公开了一种表面发射半导体激光器，其包括半导体衬底、设置在半导体衬底之上的有源层、设置在有源层之上用于沿着垂直于半导体衬底的方向发射在有源层处产生的激光束的发射表面、以及设置在发射表面之上用于吸收一部分激光束的吸收层。专利文件3公开了一种表面发射激光器模块，其具有至少表面发射激光器芯片和安装到晶体管外形头(TO header)上的监控光电探测器。表面发射激光器模块具有盖，盖带有窗口，该窗口用具有预定透射率(小于或等于40%)的薄膜涂敷。但是，当表面发射激光器阵列和孔径板(apertured plate)组合使用时，专利文件 1到3中公开的方法可能会具有如下问题。具体地说，从表面发射激光器阵列发出并然后穿过孔径板的光量不能稳定化。本发明的发明人对如下的装置作出各种研究，该装置包括表面发射激光器阵列作为光源和光学系统，该表面发射激光器阵列具有多个发光单元，并且光学系统包括具有孔径的孔径板，用于调节从光源发出的光束。于是，发现穿过孔径的光量的变化不仅受到从发光单元发出然后返回到相同发光单元的光线的影响，如传统上已知的。还发现光量的变化还受到从其他发光单元的返回的光线的影响。由从其他发光单元返回的光线造成的穿过孔径的光的量的变化仅在表面发射激光器阵列和孔径板组合使用时才产生。因此，过去没有过多注意这个因素。包括发光单元的阵列和孔径板的组合的结构应用于作为近年来的研究目标并且持续研究的各个领域，所述发光单元作为VCSEL的特征，所述孔径板是光学系统中的基本元件。专利文件1 日本未审公开专利申请公开说明书第2005-252032号专利文件2 日本未审公开专利申请公开说明书第2005-86027号专利文件3 日本未审公开专利申请公开说明书第2007-103576号

发明内容
本发明提供了一种光源单元、光学扫描装置和成像设备，其中消除了一个或多个上述缺点。根据本发明的一个方面，提供了一种光源单元，该光源单元包括表面发射激光器阵列，该表面发射激光器阵列包括发光单元；以及孔径元件，该孔径元件设置在从表面发射激光器阵列发出的光束的光路上，所述孔径元件包括孔径，其中，在至少一个方向上，穿过所述孔径的光束所造成的干涉图案的强度分布包括相等数量的波峰和波谷。根据本发明的另一方面，提供了一种光源单元，该光源单元包括表面发射激光器阵列，该表面发射激光器阵列包括三个或多个发光单元；以及孔径元件，该孔径元件设置在从所述表面发射激光器阵列发出的光束的光路上，所述孔径元件包括孔径，其中，所述三个或多个发光元件之间的间隔在一个方向上不等，并且孔径在包括表面发射激光器阵列的发光区域的平面上的正交投影在所述一个方向上具有这样的长度，该长度是在XL/dlXn和 λ L/d2Xn之间的值，其中dl是三个或多个发光单元之间的第一间隔，d2是三个或多个发光单元之间的第二间隔，λ是表面发射激光器阵列的振荡波长，L是从孔径的中心向所述平面延伸的垂直线的长度，而η是整数。 根据本发明的一个方面，提供了一种光源单元，该光源单元包括表面发射激光器阵列，该表面发射激光器阵列包括三个或多个发光单元；准直透镜，该准直透镜导致从表面发射激光器阵列发出的光束成为平行光束；以及孔径元件，该孔径元件设置在已经穿过所述准直透镜的光束的光路上，所述孔径元件包括孔径，其中，所述三个或多个发光单元之间的间隔在一个方向上不等，且孔径在包括表面发射激光器阵列的发光区域的平面上的正交投影在所述一个方向上具有这样的长度，该长度是在λ L/dlXn和XL/d2Xn之间的值，其中dl是三个或多个发光单元之间的第一间隔，d2是三个或多个发光单元之间的第二间隔， λ是表面发射激光器阵列的振荡波长，L是从准直透镜的中心向所述平面延伸的垂直线的长度，而η是整数。


本发明的其他目的、特征和优点将从下面的详细描述在结合附图阅读时变得更清楚，图中图1是根据本发明一个实施方式的激光打印机的示意性结构图；图2是图1所示的光学扫描装置的示意图；图3是用于描绘图2所示的光源单元；图4是用于描绘包括在光源单元中的光学装置(部分1)；图5是用于描绘包括在光源单元中的光学装置(部分2)；图6是沿着图4中的线A-A的横截面图；图7是封装元件的平面图；图8是沿着图7中的线A-A剖开的横截面图；图9是用于描述实施例1 (部分1)；图10是用于描绘实施例1 (部分2)；图11是用于描绘实施例2 (部分1)；图12是用于描绘实施例2 (部分2)；图13A和13B是用于描绘二维布置的多个发光单元的改进；图14是用于描绘实施例3 (部分1)；图15是用于描绘实施例3 (部分2)；图16是用于描绘实施例4 (部分1)；图17是用于描绘实施例4 (部分2)；图18A至18C是用于描绘孔径投影的形状的改进；图19是用于描绘包括多个孔径板的孔径元件；图20是用于描绘实施例5 ；图21是用于描绘激光器芯片；图22是用于描绘在激光器芯片中多个发光单元的布置；图23是用于描绘将孔径板固定到支撑元件上的传统固定方法；图24A和24B是用于描绘在传统固定方法中的不便；图25是用于描绘根据本发明一个实施方式的固定实施例1 ；图沈是用于描绘根据本发明一个实施方式的固定实施例2 ；图27示出固定实施例2的改进；图观是用于描绘根据本发明一个实施方式的固定实施例3 ；以及图四是用于描绘彩色打印机的示意结构。
具体实施例方式参照附图，给出根据本发明一个实施方式的描述。图1是作为根据本发明一个实施方式的成像设备的激光打印机1000的示意性结构图。激光打印机1000包括光学扫描装置1010、感光鼓1030、充电单元1031、显影辊 1032、转印充电器1033、中和单元1034、清洁单元1035、调色剂卡盒1036、片材供给辊1037、 片材供给托盘1038、一对配准辊1039、一对定影辊1041、一对排出辊1042、片材排出托盘 1043、通信控制装置1050、和控制上述所有单元的打印机控制装置1060。这些单元容纳在打印机壳体1044中的预定位置处。通信控制装置1050控制激光打印机1000和更高级装置(例如，个人计算机)之间通过网络双向通信。打印机控制装置1060包括CPU、存储描绘成可以被CPU读取的代码的程序和在执行程序时使用的各种数据项的ROM和作为工作存储器的RAM。此外，打印机控制装置1060 响应于来自上级装置的请求控制各单元，并且将从上级装置接收的图像信息传送到光学扫描装置1010。感光鼓1030是圆柱形元件，在其表面上具有导电层。感光鼓1030的表面作为扫描目标表面。感光鼓1030在图1中箭头所示的方向上旋转。充电单元1031、显影辊1032、转印充电单元1033、中和单元1034、和清洁单元1035 以这个顺序围绕感光鼓1030、靠近感光鼓1030的表面并且沿着感光鼓1030旋转的方向布置。充电单元1031均勻充电感光鼓1030的表面。光学扫描装置1010将已经基于从打印机控制装置1060接收的图像信息调制的光束发射到被充电单元1031充电的感光鼓1030的表面上。结果，对应于图像信息的潜像形成在感光鼓1030的表面上。潜像然后随着感光鼓1030的旋转而朝向显影辊1032传送。容纳在调色剂卡盒1036内的调色剂被供给到显影辊1032。显影辊1032使得从调色剂卡盒1036供给的调色剂粘附到感光鼓1030的表面上形成的潜像上，使得图像信息变得可见。已经粘附调色剂的潜像(下面为了方便称为调色剂图像)随着感光鼓1030的旋转而朝向转印充电器1033传送。片材供给托盘1038容纳记录片材1040。布置在片材供给托盘1038附近的片材供给辊1037 —张接一张地从片材供给托盘1038拾取片材1040，并且将片材1040供给到配准辊1039。配准辊1039暂时保持被片材供给辊1037拾取的片材1040，并且与感光鼓1030 的旋转同步地将片材1040传送到感光鼓1030和转印充电器1033之间的辊隙。转印充电器1033被充有极性与调色剂的极性相反的电压，使得感光鼓1030的表面上的调色剂被静电吸引到片材1040上。根据这个电压，感光鼓1030的表面上的调色剂图像被转印到片材1040上。其上转印有调色剂图像的片材1040被传送到一对定影辊1041。通过定影辊1041施加的热量和压力，调色剂图像被固定到片材1040上。片材1040 然后被传送到排出辊1042，以最终排出到片材排出托盘1043上并且依次叠置在其上。中和单元1034中和感光鼓1030的表面。剩余在感光鼓1030的表面上的调色剂被清洁单元1035去除。然后，从其上去除了残留调色剂的感光鼓1030的部分返回到面对充电单元1031的位置。接着，描述光学扫描装置1010的结构。如图2所示，光学扫描装置1010包括光源单元14、柱面透镜17、反射镜18、多角镜13、偏转器侧扫描透镜11a、图像侧扫描透镜lib和扫描控制装置(未示出)。这些元件安装在光学壳体30中的预定位置处。如图3的实施例所示，光源单元14包括激光器模块500和光学模块600。在本说明书中，光线从光源单元14发射的方向被称为Z轴方向，并且在垂直于Z 轴方向的平面内彼此正交的两个方向被称为X轴方向和Y轴方向。此外，为了方便，对应于主扫描方向的方向被称为主扫描对应方向，且对应于副扫描方向的方向被称为副扫描对应方向。激光器模块500包括光学器件510、驱动和控制光学器件510的激光器控制装置 (未示出)以及其上安装光学器件510和激光器控制装置的PCB(印刷电路板)580。如图4至6的实施例中所示，光学器件510包括激光器芯片100、用于保持激光器芯片100的封装元件200和防护玻璃罩300。图4是光学器件510的平面图，而图5示出没有防护玻璃罩300的光学器件510。 图6是沿着图4的A-A截取的横截面图。为了简化，在图5和6中，没有显示连接激光器芯片100和封装元件200的焊线(bonding wire)。激光器芯片100包括多个发光单元。每个发光单元是垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)，具有780nm波段的振荡波长。激光器芯片100是表面发射激光器阵列芯片。封装元件200是称为CLCC(带引脚的陶瓷芯片载体)的平面封装。在封装元件 200的+Z侧上，具有被侧壁围绕的空间区域。如图7和8所示，图8是图7中沿着A-A截取的横截面图，封装元件200是多层结构，包括陶瓷201和金属布线203。金属布线203从封装元件200的周边朝向封装元件200的中心延伸。每根金属布线203连接到在封装元件200的侧表面处的多个金属脚架(caster)中的一个上。金属膜205设置在空间区域的底面的中心。金属膜205也称为芯片粘接区域，这是公共电极。位于四角的八根金属布线连接到金属膜205。空间区域的侧壁例如是具有一个平台的结构。激光器芯片100位于空间区域的底面的基本上中心处，并且利用如AuSn的焊接材料芯片粘接到金属膜205上。也就是说，激光器芯片100被保持在侧壁围绕的空间区域的底面上。在空间区域的侧壁的平台部分上，用环氧树脂粘结剂粘结防护玻璃罩300，以便密封空间区域(见图6)。于是，保护激光器芯片100。防护玻璃罩300的表面平行于XY平面。参照图3，光学模块600包括准直透镜631、孔径板632、聚光透镜612和光接收元件 613。光学模块600定位成准直透镜631位于光学器件510的+Z侧上，并且在从激光器芯片100发出的激光束的光路上。准直透镜631使得从激光器芯片100发出的激光束变成基本上平行光束。孔径板632具有孔径，并且调整已经穿过准直透镜631的光束。已经穿过孔径板 632的孔径的光束变成被光源单元14发出的光束。调整光束意味着调整光束以具有适于以高精度在感光鼓上形成潜像的形状。孔径板632的孔径的周边的表面被铝或银覆盖，以获得高反射比。孔径板632以相对于垂直准直透镜631的光轴方向的平面倾斜的方式定位，这是因为从孔径板632的孔径的周边反射的光束被用作监控光束。在这个实施例中，孔径板632 定位成已经进入孔径的周边的光束在-Y的方向上反射。聚光透镜612定位在孔径板632的-Y侧上，并且汇聚已经从孔径板632反射的监控光束。光接收元件613定位在聚光透镜612的-Y侧上，并且接收已经穿过聚光透镜612的监控光束。光接收元件613根据接收的光的量输出信号(光电转换信号)到激光器控制
直ο返回参照图2，柱面透镜17经反射镜18将从光源单元14发出的光线汇聚到多角镜13的偏转反射表面附近。定位在激光器芯片100和多角镜13之间的光学系统被称作偏转器前光学系统。在本实施方式中，偏转器前光学系统包括准直透镜631、孔径板632、柱面透镜17和反射镜18。多角镜13由具有低高度的规则六棱柱元件制成，具有六个形成在侧面上的偏转反射表面。旋转机构(未示出)用于以固定的角速度沿着图2中箭头所示的方向旋转多角镜13。于是，从光源单元14发射的并且被柱面透镜17汇聚在多角镜13的偏转反射表面附近的光线通过多角镜13的旋转而以固定角速度被偏转。偏转器侧扫描透镜Ila定位在被多角镜13偏转的光线的光路上。图像侧扫描透镜lib定位在已经穿过偏转器侧扫描透镜Ila的光线的光路上。已经穿过图像侧扫描透镜lib的光线照射到感光鼓1030的表面上，从而形成光点。随着多角镜13旋转，光点在感光鼓1030的纵向上移动。也就是说，光点扫描感光鼓1030。光点移动的方向是主扫描方向。感光鼓1030旋转的方向是副扫描方向。沿着在多角镜13和感光鼓1030之间延伸的光路设置的光学系统被称作扫描光学系统。在本实施方式中，扫描光学系统包括偏转器侧扫描透镜Ila和图像侧扫描透镜lib。 至少一个回转镜可以设置在偏转器侧扫描透镜Ila和图像侧扫描透镜lib之间延伸的光路和图像侧扫描透镜lib和感光鼓1030之间延伸的光路中的至少一个上。本发明的发明人利用高速摄像机观察表面发射激光器阵列的光束图案。于是，确认在由于已经从另一个发光单元发出的返回光线而产生噪声时瞬间形成干涉图案。作为执行详细验证的结果，发现干涉图案不频繁形成，而是仅很少形成。发现穿过孔径的光束的量中的变化由干涉图案所造成。由于形成干涉图案，空间光线变强和/或变弱。此外，一部分空间光线被孔径切去。并因此，在没有干涉时和存在干涉时穿过孔径的光束的量不同。假设没有孔径，即使发生干涉，整个光量不会变化，并因此，光量不改变。如果用于写入图像的光量变化，干涉图案极大影响图像质量，并因此不一致的密度变得明显。也就是说，干涉图案极大影响图像质量，并即使很少出现干涉图案，也需要减少干涉图案。通常，如在杨氏干涉试验中已知的，根据两个光源，干涉图案之间的间隔&被下面方程⑴表示。在方程⑴中，d是两个发光单元之间的间隔，λ是振荡波长，而L是光源和观察平面之间的长度。X0 = L · λ /d (1)干涉图案的强度通过正弦波的强度分布而周期性分布。在被孔径切去的光束中， 光量基于是否存在更多波峰(光束彼此增强的点)或者是否存在更多波谷(光束彼此减弱的点)来确定。当波峰和波谷的数量相等时，这意味着光量不变化。因此，为了固定穿过孔径的光量，孔径在包括表面发射激光器阵列的发光表面的平面上的正交投影的宽度(在与干涉图案垂直的方向上的宽度)为干涉图案之间的间隔^的整数倍。为了方便，孔径在包括表面发射激光器阵列的发光表面的平面上的正交投影被称作孔径投影。此外，包括表面发射激光器阵列的发光表面的平面称为投影平面。具体地说，给出对孔径尺寸的描述。
实施例1 孔径板平行于XY平面，并且在孔径板内的孔径的孔径投影具有矩形形状，短边平行于X轴方向。多个发光单元以间隔d沿着X轴方向均勻间隔排列成一行(见图9和10)。在本说明书中，发光单元之间的间隔意味着两个发光单元之间的中心对中心距
1 O在这种情况下，在上述方程(1)中的L是从孔径的中心到发光平面延伸的垂直线的长度。假设d = 80 μ m，L = 100mm、且 λ = 780nm，那么 L · λ /d 是 0. 975mm。通过将孔径形成为孔径投影的短边的长度R是1. 95mm,这是L · λ /d的两倍，穿过孔径的光束的量可以固定。实施例2 孔径板平行于XY平面，且孔径板中的孔径的孔径投影具有矩形形状， 其短边平行于X轴方向。多个发光单元沿着X轴方向和Y轴方向布置成矩阵(见图11和 12)。在图12中，dx是发光单元之间沿X轴方向的间隔，且dy是发光单元之间沿Y轴方向的间隔。此外，Rx是孔径投影的短边的长度，而Ry是孔径投影的长边的长度。在这个实施例中，孔径的形状和孔径投影的形状是相同的。fi 设 dx = 80 μ m，dy = 40 μ m、L = 100mm、且 λ = 780nm, β 么 L · λ /dx 是 0. 975mm,且L · λ /dy是1. 95mm。通过将孔径形成为Rx是1. 95mm,这是L · λ /dx的两倍， 且Ry是3. 90mm，这是L · λ/dy的两倍，穿过孔径的光束的量可以被固定。在图13A所示的实施例中，多个发光单元二维布置。在这个实施例中，两排的方向并不彼此正交(在图13A中的X轴方向和Y’轴方向)。但是，通过将孔径形成为对应于布置多个发光单元的其中一个方向的孔径投影的长度成为基本上在相应方向上干涉图案之间的间隔的整数倍，穿过孔径的光束的量可以固定。在图13A的实施例中，假设X轴和Y’轴之间的角度是α，孔径形成为使得在Y轴方向上的孔径投影的长度基本上是Ο^λ/dy’)/ sina的整数倍。在图1 所示的实施例中，发光单元沿着两个方向(X轴方向和Y轴方向)并不均勻间隔。孔径形成为使得在X轴方向上孔径投影的长度是XL*/dxlXnx和XL/dx2Xnx 之间的值，假设发光单元之间在X轴方向上的间隔是dxl和dx2，且nx是整数。此外，孔径形成为使得在Y轴方向上孔径投影的长度是XL/dylXny和λ L/dy2Xny之间的值，假设发光单元之间在Y轴方向上的间隔是dyl和dy2，且ny是整数。于是，穿过孔径的光束的量可以被固定。实施例3 孔径板平行于XY平面，且孔径板中的孔径的孔径投影为矩形形状，长边相对于X轴方向倾斜(倾斜角度Θ)。多个发光单元沿着X轴方向和Y轴方向布置成矩阵 (见图14和15)。在图15中，Rl是孔径投影的短边的长度，而R2是孔径投影的长边的长度。假设dx = 80 μ m，L = 100mm、且 λ = 780nm，那么 L · λ /dx 为 0. 975mm。通过将孔径形成为使得Rl -sine为1. 95mm (Rl = 2. 25mm)，这是L · λ /dx的两倍，穿过孔径的光
束量可以被固定。孔径可以形成为使得R2 · cos θ是L · λ /dx的整数倍。实际上，难于将孔径形成为使得孔径投影完全满足上述条件；在尺寸上会发生稍微的误差，这导致减轻光量变化的效果变差。此外，尺寸误差之外的因素会使得减轻光量变化的效果变差，如在孔径的四个角残留毛刺或者四个角变圆。为了解决这些问题，当选择Rl ^in θ或R2*C0Se中的一个作为要成为在X轴方向上干涉图案之间的间隔的整数倍时，要选择具有较少波峰和波谷的干涉图案的那个。这是因为在具有较少波峰和波谷的干涉图案穿过孔径的情况下，相对于光量的可变性的程度较大。具有较少波峰和波谷的干涉图案的长度是对应于以较窄间隔布置的光源的方向的长度。于是，与具有较少波峰和波谷的干涉图案相关的孔径的长度是优选的要被调节的长度。此外，孔径可以形成为使得Rl · sin θ和R2 · cos θ都是L · λ /dx的整数倍。此外，孔径可以形成为Rl 'cos θ和R2*Sin0中的至少一个是L · λ/dx的整数倍。实施例4 准直透镜设置在孔径板和激光器芯片之间的光路上。孔径板相对于XY 平面倾斜(倾斜角度φ)，并且孔径投影具有矩形形状，短边平行于χ轴方向。多个发光单元沿着χ轴方向和Y轴方向布置成矩阵(见图16和17)。在这个实施例中，在穿过准直透镜之后，光束变成平行光，并因此在光路中没有差别，并且干涉图案之间的间隔不发生。在这个实施例中，在上述方程(1)中，L是从准直透镜的中心到发光平面延伸的垂直线的长度。假设孔径的短边的长度是r，孔径投影的短边的长度 Rx Sr-COSCp。假设 dx = 80 μ m，L = 100mm、且 λ = 780nm,那么 L · λ /dx 是 0· 975mm。
通过将孔径形成为使得孔径投影的短边Rx ( =r_coscp )是1. 95mm，这是L · λ /dx的两倍， 穿过孔径的光束的量可以被固定。例如，如果φ=45°,那么r = 2. 75mm。在这种情况下，如在上面的实施例3中所描述的，当孔径投影的长边相对于X轴方向倾斜(倾斜角度θ)时，通过将孔径形成为使得r_sin0-coscp是L· λ/dx的整数倍，穿过孔径的光束的量可以被固定。此外，孔径可以形成为使得孔径投影的长边的长度时L · λ /dy的整数倍。在上述实施例中，孔径投影具有矩形形状，但是本发明并不限制于此。例如，如图 18A所示，孔径投影可以是平行多边形。例如，如图18B所示，孔径投影可以是凹多边形。例如，如图18C所示，孔径投影可以是弯曲形状。在任何情况下，通过将孔径形成为使得孔径投影在X轴方向上的长度是在X轴方向上干涉图案之间的间隔的整数倍，穿过孔径的光束的量可以被固定。也就是说，孔径可以是矩形之外的任何形状。在上述实施例中，光变化的因素的方向是X轴方向。此外，取代使用上述孔径板，可以使用包括多个孔径板的孔径元件(见图19)。在这种情况下，孔径的四个角可以精确形成为具有理想形状。也就是说，孔径可以形成得具有比仅使用一个孔径板的情况更精确的理想形状。实施例5 准直透镜设置在孔径板和激光器芯片之间的光路上。孔径板不是平板， 且孔径投影具有矩形形状，其短边平行于X轴方向。多个发光单元沿着X轴方向和Y轴方向布置成矩阵(见图20)。在这个实施例中，在上述方程(1)中，L是从准直透镜的中心到发光平面延伸的垂直线的长度。假设dx = 80 μ m，L = 100mm、且 λ = 780nm，那么 L · λ /dx 是 0. 975mm。通过将孔径形成得使得孔径投影的短边R是1. 95mm,这是L · λ /dx的两倍，穿过孔径的光束的量可以被固定。也就是说，孔径板不局限于平板。
如在图21的实施例中所示的，根据本实施方式的激光器芯片100包括32个二维布置的发光单元以及对应于发光单元的32个电极焊盘，该电极焊盘围绕32个发光单元布置。每个电极焊盘用布线元件电连接到相应的发光单元。如图22所示，当所有发光单元正交投影到沿着Z轴方向延伸的虚拟线上时，32个发光单元均勻间隔开(在图22中以间隔c间隔开)。在X轴方向上发光单元之间的间隔 dx 是 80 μ m0在本实施例中，类似于上面的实施例4，L = 100mm, λ = 780nm，φ=45°,并且孔径的短边的长度r是2. 75mm。在本实施例中，从光源单元14发出的光束的量是稳定的而变化很小。典型地是，当如图23所示固定孔径板时，孔径板的四边用螺钉或者粘结剂安装到支撑元件上。但是，在固定过程中，会存在外来物质进入到支撑元件和孔径板之间或者粘结剂流入到支撑元件和孔径板之间的情况。如图24A的实施例所示，基于孔径板平行于发光平面的假设来设计孔径板的孔径的长度R。长度R成为干涉图案之间的间隔的整数倍。如图24B的实施例所示，当外来物质进入到支撑元件和孔径板之间，并且孔径板不再相对于发光平面平行时，孔径投影的长度 R’变得比长度R短。在这种情况下，穿过孔径的光的量变得不稳定。当多个发光单元一维排列时，为了防止穿过孔径的光的量变化，沿着发光单元排列的方向在发光平面上的孔径投影的长度需要精确地是干涉图案之间的间隔的整数倍。同时，相对于沿着与发光单元排列的方向正交的方向在发光平面上的孔径投影的长度没有限制。因此，为了防止在发光平面上孔径投影的长度由于外来物质而偏离期望长度，孔径板优选的在平行于发光单元排列的方向的位置处固定到支撑元件上。于是，穿过孔径的光束的量可以被固定。固定实施例1 图25示出将孔径板固定到支撑元件的固定实施例1。在这个实施例中，多个发光单元沿着X轴方向一维排列。发光单元之间的间隔是dx，在发光平面上沿着X轴方向孔径投影的长度是Rx，在发光平面上沿着Y轴方向孔径投影的长度是Ry，且从孔径的中心到发光平面延伸的垂直线的长度是L。孔径板和孔径具有矩形形状，孔径的四条边分别平行于孔径板的四条边。此外，长度Rx是干涉图案之间的间隔(χΟ)的整数倍。于是，孔径板已经被设计成使得穿过孔径的光束的量被固定，而无论是否发生干涉图案。假设孔径板平行于发光平面设置。特定尺寸为λ = 780nm, d = 80 μ m，且L = 100mm。在这些条件下干涉图案之间的间隔x0是0. 975mm。Rx是1. 95mm，这是干涉图案之间的间隔xO的两倍。在将孔径板固定到支撑元件上时，孔径板的+Y侧和-Y侧用粘结剂固定到支撑元件上。取代使用粘结剂，可以使用螺钉来固定孔径板。在这个实施例中，有可能防止外来物质进入到支撑元件和孔径板之间或者防止粘结剂流入到支撑元件和孔径板之间，并且可以防止Rx的长度变化。仅Rx对发生干涉图案时穿过孔径的光量变化起作用，并且Ry对光量变化没有作用。于是，穿过孔径的光束的量可以被固定，而无论是否发生干涉图案。已经确认利用这个实施例，与传统结构的情况相比，可以减少光量的变化。也就是说，在固定实施例1中，与X轴方向平行的孔径板的部分通过粘结剂固定到支撑元件上。固定实施例2:图沈示出固定孔径板到支撑元件上的固定实施例2。在固定实施例2中，在将孔径板固定到支撑元件上时，孔径板的+Y侧的一部分和-Y侧的一部分用粘结剂固定到支撑元件上。粘结剂施加的区域足够大以将孔径板固定到支撑元件上。同样在整个实施例中，穿过孔径的光束的量可以被固定，而无论是否发生干涉图案。已经确认同样利用这个实施例，与传统结构的情况相比，可以减小光量的变化。在固定实施例2中，孔径板的平行于X轴方向的边的两个部分通过粘结剂固定到支撑元件上，所述两个部分跨过孔径彼此面对。在如图27所示的实施例中，孔径板的形状可以是圆形的。同样在这个实施例中， 穿过孔径的光束的量可以被固定，而不论是否发生干涉图案。已经确认同样在这个实施例中，与传统结构的情况相比，可以减小光量的变化。固定实施例3图观示出将孔径板固定到支撑元件上的固定实施例3。在这个实施例中，多个发光单元沿着X轴方向和Y轴方向二维布置成矩阵。在X轴方向上发光单元之间的间隔是dx，而在Y轴方向上发光单元之间的间隔是
dy。在发光平面上孔径投影的短边的长度是Rx，而在发光平面上孔径投影的长边的长度是 Ry。特定尺寸是dx = 80 μ m, dy = 40 μ m、L = 100匪且λ = 780nm。在这些条件下， 在X轴方向上干涉图案之间的间隔是0.975mm，而在Y轴方向上是1.95mm。Rx是1. 95mm， 这是在X轴方向上干涉图案之间的间隔的两倍，而Ry是7. 80mm，这是在Y轴方向上干涉图案之间的间隔的四倍。在固定实施例3中，孔径板的形状是圆形的，且在将孔径板固定到支撑元件上时， 孔径板的圆周的+Y侧的一部分和圆周的-Y侧的一部分用粘结剂固定到支撑元件上。粘结剂施加的区域足够大以将孔径板固定到支撑元件上。孔径板固定到支撑元件上，使得在Rx和Ry之间，Rx的长度精确变成理想长度。这是由于在被孔径切去的光束中，相对于孔径的长度干涉图案的数量越少，在干涉图案的位置移动时，穿过孔径的光量的变化越大。在这个实施例中，如果具有更少干涉图案的在X轴方向上孔径的长度Rx被设定成理想长度，光量的变化可以减小更多。因此，孔径板在两个部分，即在孔径板的圆周的+Y 侧的一部分和在圆周的-Y侧的一部分，被固定。同样在这个实施例中，穿过孔径的光束的量可以被固定，而无论是否发生干涉图案。已经确认同样利用这个实施例，与传统结构的情况相比，可以减小光量的变化。在固定实施例3中，多个发光单元沿着X轴方向和Y轴方向二维布置。或是在X 轴方向上孔径板的部分或是在Y轴方向上孔径板的部分，相对于孔径的尺寸具有较大的干涉图案之间的间隔的那个，被利用粘结剂固定到支撑元件上。如上所述，根据本实施方式的光源单元14包括激光器模块500和光学模块600，该激光器模块500包括激光器芯片100，而光学模块600包括准直透镜631和孔径板632。在孔径板632内的孔径形成为使得在X轴方向上孔径投影的长度是在X轴方向上干涉图案的间隔的两倍。从而，可以减小穿过孔径的光束的量的变化。于是，光源单元14能够稳定发射光线，且光量上的变化很小。此外，设计孔径板632的自由度能够增大。根据本实施方式的光学扫描装置1010包括光源单元14，并因此，可以高精度进行光学扫描。此外，激光器芯片100包括多个发光单元，使得可以执行多个光扫描操作，因此， 可以高速执行成像过程。根据本实施方式的激光打印机1000包括光学扫描装置1010，并于是可以形成高
质量图像。在激光器芯片100中，当发光单元正交投影在沿着副扫描对应方向延伸的虚拟线上时，发光单元以间隔c均勻间隔开。因此，通过调节发光单元发光的时刻，在感光鼓1030 上能够实现与沿着副扫描方向均勻间隔的发光单元相同的构型。例如，假设间隔c是2.65 μ m，且光学扫描装置1010的光学系统的放大比是两倍， 图像可以以4800dpi (每英寸点)的高密度写入。当然，通过增加主扫描对应方向上发光单元的数量，或者通过减小副扫描对应方向上的间距dx和更进一步减小阵列布置中的间隔 c，或者通过减小光学系统的放大比，密度可以更进一步增加，并且可以执行更高质量的打印。通过调节发光单元的发光时刻，可以容易控制在主扫描方向上的写入间隔。在这种情况下，即使在激光打印机1000中点写入密度增加，也可以在不减小打印速度的情况下进行打印。此外，当点写入密度(与传统技术)相同时，打印速度可以增加更
^^ ο在上述实施方式中，发光单元具有780nm波段的振荡波长；但是，本发明不受到如此限制。发光单元的振荡波长可以根据光导体的特性而变化。在上述实施方式中，光学扫描装置1010用于打印机；但是，光学扫描装置1010可以用于打印机之外的成像设备，如复印机、传真机或者结合这些功能的多功能外设。在上述实施方式中，激光打印机1000被描述为成像设备；但是，本发明不受到如此限制。例如，成像设备可以直接照射激光束到介质(例如，片材)上，该介质利用激光束来显现颜色。例如，该基质可以是已知为CTP(直接制版(computer to plate))的印刷版。也就是说，光学扫描装置1010也可以适当地应用于这样的成像设备，该成像设备通过在印刷版材料上执行激光蚀刻(aberration)来直接形成图像，以形成印刷版。此外，成像设备可以直接将激光束照射到介质(例如片材)上，该介质通过激光束对颜色施加可逆性。例如，该介质可以是可重写纸张。例如，如下所述的材料用作记录层，该记录层在诸如纸张或树脂膜的支撑体上。然后，通过用激光束控制膜上的热能，对颜色施加可逆性， 使得以可逆的方式显示或者擦除颜色。可重写标记方法的实施例是透明/不透明型可重写标记方法以及利用无色母体的颜色显现和去色型可重写标记方法，并且任一种方法都可采用。透明/不透明型可重写标记方法是通过将脂肪酸的精细颗粒散布在聚合物薄膜中。当该薄膜被用大于或等于110°C的温度加热时，树脂随着脂肪酸熔化而膨胀。随后，当薄膜冷却时，脂肪酸变成过度冷却状态，并保持为液态，同时膨胀的树脂固化。随后，脂肪酸固化并且收缩，而变成多晶体精细颗粒，因此在树脂和精细颗粒之间形成间隙。光线由于这些间隙而散射，因此，薄膜的被加热部分呈现出白色。接着，当薄膜用在80°c和110°C之间的擦除温度加热时，脂肪酸局部熔化，并且树脂被热量膨胀，使得间隙被填充。当薄膜在这个状态下被冷却时，被加热的部分变成透明的，因此，擦除了图像。利用无色母体的可重写标记方法通过使用无色母体染料和去色剂之间的可逆颜色显现和去色反应来执行，该去色剂具有长链烷基。当介质被激光束加热时，无色母体染料和去色剂彼此反应，使得颜色被显现。然后，介质被快速冷却使得被显现的颜色得以保持。 然后，介质被加热并然后缓慢冷却，使得由于去色剂的长链烷基的自聚集特性而发生相分离，于是，无色母体染料和去色剂彼此物理分隔，并且颜色消失。此外，介质可以是所谓的颜色可重写纸张。颜色可重写纸张通过在诸如纸张或者树脂膜的支撑体上提供各种化学化合物来形成。化学化合物的例子是如下的光致变色的化合物，即响应于接收紫外线而显现C(青色)颜色并且响应于接收可见R(红色)光而擦除颜色的光致变色化合物；响应于接收紫外线而显现M(品红色)颜色并且响应于接收可见 G(绿色)光而擦除颜色的光致变色化合物；以及响应于接收紫外线而显现Y(黄色)颜色并且响应于接收可见B (蓝色)光而擦除颜色的光致变色化合物。这种介质可以通过照射紫外线而整体为黑色，并然后通过调整R · G · B光的时间长度和强度来控制用于显影Y · M · C颜色的三种材料的颜色显影密度，来表现全彩色图像。 也有可能通过连续照射强烈的R · G · B光来使得介质均勻白色。如上所述通过控制光能来施加对颜色可逆性的成像设备可以作为包括类似于上述实施方式的光学扫描装置的成像设备来实现。此外，成像设备可以包括利用银盐胶片的图像载体。在这种情况下，潜像通过光学扫描形成在银盐胶片上，并且潜像可以通过类似于在典型银盐照相过程中执行的显影过程的过程转变成可见图像。此外，图像可以通过类似于在典型银盐照相过程中执行的打印过程的过程转印到打印片材上。这种类型的成像设备可以作为光学制版装置或者用于渲染 (rendering) CT扫描图像的光学渲染装置(optical rendering device)来实现。此外，如图四的实施例中所示，成像设备可以是包括多个感光鼓的彩色打印机 2000。彩色打印机2000是串列型多色打印机，通过将四种颜色(黑色(K)、青色(C)、品红色(M)和黄色(Y))图像重叠而形成全彩色图像。彩色打印机2000包括用于黑色的感光鼓K1、充电单元K2、显影单元K4、清洁单元K5、和转印单元K6 ；用于青色的感光鼓Cl、充电单元C2、显影单元C4、清洁单元C5和转印单元C6 ；用于品红色的感光鼓Ml、充电单元M2、 显影单元M4、清洁单元M5和转印单元C6 ；以及用于黄色的感光鼓Y1、充电单元Y2、显影单元W、清洁单元TO和转印单元Y6。此外，彩色打印机2000包括光学扫描装置2010、转印带 2080和定影单元2030。感光鼓在图四中箭头所示的方向上旋转。充电单元、显影单元、转印单元和清洁单元围绕每个感光鼓以这种顺序沿着感光鼓旋转的方向布置。每个充电单元均勻充电相对应的感光鼓的表面。光学扫描装置2010将光束发射到被相对应的充电单元充电的每个感光鼓的表面上，使得在每个感光鼓上形成潜像。然后，每个潜像被相应的显影单元显影成调色剂图像。每个调色剂图像被相应的转印单元转印到转印带2080上的记录片材上。最终， 转印到记录片材上的调色剂图像被定影单元2030定影到其上。光学扫描装置2010包括用于每种颜色的类似于光源14的光源。因此，光学扫描装置2010可以具有类似于光学扫描装置1010的效果。从而，彩色打印机2000可以具有类似于激光打印机1000的效果。在彩色打印机2000中，由于各部件的制造误差和定位误差会发生颜色偏移。即使在发生这种误差时，通过选择用于发射光线的发光单元，可以减小颜色偏移。如上所述，根据本发明实施方式的光源单元适于减小发射光的量的变化，即使在表面发射激光器阵列和孔径板组合使用的情况下。此外，根据本发明实施方式的光学扫描装置适于以高精度执行光学扫描。此外，根据本发明实施方式的成像设备适于形成高质量图像。本发明不局限于在此描述的特定实施方式，而在不背离本发明的范围的前提下可以作出各种变形和改进。本申请基于2010年4月28日提交的日本优先权专利申请第2010-103074号和 2011年2月22日提交的日本优先权专利申请第2011-035380号，它们的整个内容通过引用
结合于此。
权利要求
1.一种光源单元，包括表面发射激光器阵列，该表面发射激光器阵列包括发光单元；以及孔径元件，该孔径元件设置在从所述表面发射激光器阵列发出的光束的光路上，且该孔径元件包括孔径，其中在至少一个方向上，由穿过所述孔径的光束所造成的干涉图案的强度分布包括相等数量的波峰和波谷。
2.如权利要求1所述的光源单元，其中在包括表面发射激光器阵列的发光区域的平面上所述孔径的正交投影在所述一个方向上的长度基本上是XL/d的整数倍，其中λ是表面发射激光器阵列的振荡波长，d是在所述一个方向上所述发光单元之间的间隔，而L是从所述孔径的中心到所述平面延伸的垂直线的长度。
3.如权利要求1所述的光源单元，还包括准直透镜，该准直透镜使得从表面发射激光器阵列发出的光束变成平行光束，所述准直透镜设置在所述表面发射激光器阵列和所述孔径元件之间，其中在包括所述表面发射激光器阵列的发光区域的平面上所述孔径的正交投影在所述一个方向上的长度基本上是XL/d的整数倍，其中λ是表面发射激光器阵列的振荡波长，d是在所述一个方向上所述发光单元之间的间隔，而L是从所述准直透镜的中心到所述平面延伸的垂直线的长度。
4.如权利要求1所述的光源单元，其中在包括所述表面发射激光器阵列的发光区域的平面上所述孔径的正交投影是矩形形状，包括长度Rl的短边和长度R2的长边，长边相对于所述一个方向倾斜一倾斜角θ，且Rl · sin θ和R2 · cos θ中的至少一个基本上是λ L/d的整数倍，其中λ是表面发射激光器阵列的振荡波长，d是在所述一个方向上所述发光单元之间的间隔，而L是从所述孔径的中心到所述平面延伸的垂直线的长度。
5.如权利要求1所述的光源单元，还包括准直透镜，该准直透镜使得从表面发射激光器阵列发出的光束变成平行光束，所述准直透镜设置在所述表面发射激光器阵列和所述孔径元件之间，其中在包括所述表面发射激光器阵列的发光区域的平面上所述孔径的正交投影是矩形形状，包括长度Rl的短边和长度R2的长边，所述长边相对于所述一个方向倾斜一倾斜角θ， 且Rl · sin θ和R2 · cos θ中的至少一个基本上是λ L/d的整数倍，其中λ是表面发射激光器阵列的振荡波长，d是在所述一个方向上所述发光单元之间的间隔，而L是从所述准直透镜的中心到所述平面延伸的垂直线的长度。
6.如权利要求2所述的光源单元，其中所述发光单元沿着作为所述一个方向的第一方向和与所述第一方向相交的第二方向二维排列；且在所述平面上所述孔径的正交投影在所述第二方向上的长度基本上是XL/d2的整数倍，其中，所述d2是在所述第二方向上发光单元之间的间隔。
7.如权利要求2所述的光源单元，其中所述发光单元沿着作为所述一个方向的第一方向和与所述第一方向相交的第二方向二维排列；在所述第二方向上所述发光单元之间的间隔不等；且在所述平面上所述孔径的正交投影在所述第二方向上的长度是在λ LM21Xn和XL/ d21Xn之间的值，其中，所述d21是发光单元之间的第一间隔，且所述d22是发光单元之间的第二间隔，且η是整数。
8.如权利要求6所述的光源单元，其中 所述第一方向和第二方向彼此正交。
9.如权利要求6所述的光源单元，其中 所述第一方向和第二方向彼此不正交。
10.如权利要求3所述的光源单元，其中所述孔径元件相对于所述平面是倾斜的或者弯曲的。
11.如权利要求1所述的光源单元，其中 所述孔径元件包括多个孔径板。
12.如权利要求1所述的光源单元，其中孔径元件平行于所述一个方向的至少一部分固定到支撑元件上，所述支撑元件用于将所述孔径元件固定到包括表面发射激光器阵列的发光区域的平面上。
13.如权利要求1所述的光源单元，其中所述发光单元沿着作为所述一个方向的第一方向和与所述第一方向相交的第二方向二维排列；且所述孔径元件的一部分用粘结剂固定到支撑元件上，所述支撑元件用于将所述孔径元件固定到包括表面发射激光器阵列的发光区域的平面上，其中，所述部分平行于所述第一方向或第二方向中相对于孔径的尺寸具有更大的干涉图案之间的间隔的任一个方向。
14.一种光源单元，包括表面发射激光器阵列，该表面发射激光器阵列包括三个或多个发光单元；以及孔径元件，该孔径元件设置在从所述表面发射激光器阵列发出的光束的光路上，所述孔径元件包括孔径，其中所述三个或多个发光单元之间的间隔在一个方向上不相等；且在包括表面发射激光器阵列的发光区域的平面上所述孔径的正交投影在所述一个方向上的长度是XL/dlXn和XL/d2Xn之间的值，其中，dl是所述三个或多个发光单元之间的第一间隔，d2是所述三个或多个发光单元之间的第二间隔，λ是表面发射激光器阵列的振荡波长，L是从孔径的中心到所述平面延伸的垂直线的长度，而η是整数。
15.一种光源单元，包括表面发射激光器阵列，该表面发射激光器阵列包括三个或多个发光单元；以及准直透镜，该准直透镜使得从表面发射激光器阵列发出的光束变成平行光束；以及孔径元件，该孔径元件设置在已经穿过所述准直透镜的光束的光路上，所述孔径元件包括孔径，其中所述三个或多个发光单元之间的间隔在一个方向上不相等；且在包括表面发射激光器阵列的发光区域的平面上所述孔径的正交投影在所述一个方向上的长度是XL/dlXn和XL/d2Xn之间的值，其中，dl是所述三个或多个发光单元之间的第一间隔，d2是所述三个或多个发光单元之间的第二间隔，λ是表面发射激光器阵列的振荡波长，L是从准直透镜的中心到所述平面延伸的垂直线的长度，而η是整数。
16.一种用光束扫描目标表面的光学扫描装置，该光学扫描装置包括 如权利要求1所述的光源单元；偏转来自光源单元的光束的偏转器；以及将所述偏转器偏转的光束会聚到所述目标表面上的扫描光学系统。
17.一种成像设备，包括 至少一个图像载体；以及至少一个如权利要求16所述的光学扫描装置，该光学扫描装置用已经基于图像信息调制的光束扫描所述至少一个图像载体。
18.如权利要求17所述的成像设备，其中， 所述图像信息是多颜色图像信息。
全文摘要
本发明公开了一种光源单元、光学扫描装置和成像设备。所述光源单元包括表面发射激光器阵列，该表面发射激光器阵列包括发光单元；以及孔径元件，该孔径元件设置在从所述表面发射激光器阵列发出的光束的光路上，且该孔径元件包括孔径，其中在至少一个方向上，由穿过所述孔径的光束所造成的干涉图案的强度分布包括相等数量的波峰和波谷。
文档编号G02B26/12GK102248806SQ20111010620
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年4月28日
发明者大场义浩, 石井稔浩, 菅原悟 申请人:株式会社理光