专利名称：具有不对称曲率的扫描光学透镜及使用它的激光扫描单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有不对称曲率的扫描光学透镜以及采用该扫描光学透镜的激光扫描单元。特别地，本发明涉及一种在子扫描方向上具有不对称曲率的扫描光学透镜，以及通过采用所述扫描光学透镜减少偏转单元到感光鼓之间距离的激光扫描单元。
背景技术：
激光扫描单元(LSU)是一种在打印装置如激光打印机中用于将激光束在感光鼓上扫描并成像进而形成图像的成像装置。图1为示意性示出了常规激光扫描单元的示意图。如图1所示，激光扫描单元包括激光源11、准直透镜12、孔径光阑13、柱形透镜14、光束偏转单元15、扫描光学透镜16、感光鼓18以及同步信号检测单元19、20和21。从激光源11发出的激光被准直透镜12转换成平行光束，由孔径光阑13限定平行光束的形状并且平行光束随后通过柱形透镜14。此时，柱形透镜14在子扫描方向上会聚所述平行光束。此后，会聚的激光在主扫描方向上(即，在水平方向上)被高速旋转的光束偏转单元15偏转并且通过扫描光学透镜16在感光鼓18上成像。
在此，称作“F-theta透镜”的扫描光学透镜18用于将激光聚焦在感光鼓18的表面上。在图1所示的装置中，扫描光学透镜16可以相对于光轴具有恒定的折射率并能够校正像差。此外，扫描光学单元16也能够用于校正光束偏转单元15中偏转光束的偏差(deviation)。
为了实现该功能，扫描光学透镜16具有不同于一般透镜的特定结构，如图2A所示。即根据图2B所示，主扫描方向截面在入射表面和出射表面处凸出。出射表面为圆弧形，在此入射表面为非圆弧形。如图2C所示，在子扫描方向截面中，透镜16中心部分的A-A′截面具有两边凸出的形状，其中入射表面和出射表面都凸出。相反，透镜边缘部分的B-B′截面在入射表面处为凹形，而在出射表面处为凸形。
如图3A和3B的曲线图所示，子扫描方向截面(sub-scanning directionsection)中入射表面和出射表面的曲率被设定成在主扫描方向上连续变化。从曲线图中可以了解，在入射表面中，曲率相对于透镜中心逐渐减少并在边缘部分处从正(+)变至负(-)。即随曲率逐渐减少，中心部分凸起而边缘部分凹入。同时，在出射表面中，曲率逐渐增加并相对于透镜中心再次开始减少。可是，由于曲率在出射表面处总为负(-)，所以出射表面总是凹形。因此，扫描光学透镜16为一种在垂直方向和水平方向上具有不同放大倍率的变形透镜(Anamophic lens)。
尽管上述常规扫描光学透镜16通过采用一个透镜能够有利地校正光学像差，但透镜16在有效扫描角不能增至一个很大范围的方面存在不利之处。相应地，由于不能够缩短光束偏转单元15到感光鼓18的距离，而限制了常规激光扫描单元的小型化。此外，由于扫描光学透镜16在子扫描方向上具有相对高的图像放大倍数，使得稳定的光学性能受限于上述范围，并且限制了打印图像质量的提高。这导致了当成像放大倍数扩大时存在性能不稳定性因素以及激光束在成像区域内不均匀的情况。
此外，在研发用于提供更快打印的多光束激光扫描单元于子扫描方向上具有高的图像放大倍数的这种情况中存在一个缺陷。多光束激光扫描单元在子扫描方向一次扫描多光束激光，并在子扫描方向同时发出多光束激光。在多光束激光扫描单元以600dpi的图像质量进行打印的情况中，感光鼓18上在子扫描方向的点距大约为42μm。可是，多光束激光扫描单元在以下的情况中存在一个缺陷，即在子扫描方向上图像放大倍数大于5倍时，激光源在子扫描方向上的间距应小于10μm，这是难以实现。
仍进一步，常规扫描光学透镜16被设计成在凹入方向上的任意点处具有从正(+)变至负(-)，或从负(-)变至正(+)的曲率。这就意味着透镜16在任意点处从凸起状态(或凹入状态)变至平面状态，并随后变至凹入状态(或凸起状态)。可是，在曲率符号改变的情况中，很难形成射入(injecting)扫描光学透镜的金属图案。因此，存在以下缺陷，难于制造扫描光学透镜16并导致以更高成本制造扫描光学透镜。
因此，存在对这样的装置和方法的需求，即该装置和方法能够对于激光扫描单元扩大有效扫描角并缩短偏转单元到感光体距离，同时减少制造成本。
发明内容
本发明大致解决了上述和其他问题，并提供一种即使是在图像放大倍数在子扫描方向上更小的情况下仍具有更大的有效扫描角并且可实行稳定的光学性能的扫描光学透镜。
同样，本发明提供一种能够更容易被制造的扫描光学透镜。
进一步，本发明提供能够更大程度小型化且通过采用所述扫描光学透镜提供高的图像打印质量的一种激光扫描单元，尤其是多光束激光扫描单元。
根据本发明的一个方面，为激光扫描单元提供一扫描光学透镜，其中所述扫描光学透镜的子扫描方向截面具有弯月形状，使得其入射表面和出射表面在透镜的中心部分处具有相同的曲率符号，并且其中入射表面和出射表面总是具有负(-)曲率符号，以及其中入射表面的曲率绝对值在中心处为最大值，并在主扫描方向上的两侧的每一侧处具有至少一个最小值，且所述最小值的至少一个近似等于零。在一个示意性实施例中，入射表面的子扫描方向截面的曲率绝对值大于零且小于0.001以便提供近似零的数值。
此外，透镜的子扫描方向截面中出射表面的曲率绝对值在中心处最大，并在主扫描方向上的两侧的每一侧处具有至少一个最小值且所述最小值的至少一个近似等于零，其中两侧处的最小值彼此不对称。
仍进一步，扫描光学透镜的主扫描方向截面具有弯月形，使得其入射表面和出射表面在透镜中心处具有相同的曲率符号，并且其中所述入射表面和出射表面的形状在主扫描方向上相对于中心对称变化。
在一个示例性实施例中，子扫描方向截面中入射表面和出射表面的曲率在主扫描方向上在大约-0.1至-0.0001的范围内变化。
在扫描光学透镜的一个示例性实施例中，子扫描方向上的成像放大倍数被设定在大约1.0至2.5的范围内，而有效扫描角处于大约85°至大约120°的范围内。
在本发明的另一方面中，提供一种激光扫描单元，其具有发射激光的激光源，用于在主扫描方向上偏转所述激光束的光束偏转单元，用于使激光束均匀成像的扫描光学透镜以及用于形成潜像的感光体。扫描光学透镜的子扫描方向截面具有弯月形，使其入射表面和出射表面在透镜中心处具有相同的曲率符号，其中入射表面和出射表面总是具有负(-)的曲率符号，并且其中入射表面的曲率绝对值在中心处具有最大值并在主扫描方向上的两侧的每一侧处具有至少一个最小值。所述最小值的至少一个近似等于零。在一个示例性实施例中，入射表面的子扫描方向的曲率绝对值大于零且小于0.001以便提供近似零的数值。
进一步，光束偏转单元到感光体的距离处于大约110mm至大约165mm的范围内。
仍进一步，光束偏转单元包括用于将主扫描方向上的激光朝感光鼓偏转的多边形偏转反射镜，以及用于以恒定速率旋转所述偏转反射镜的马达，其中所述偏转反射镜包括多个(例如，四个)反射镜面。
另外，所述激光源能够在子扫描方向上发射多光束激光。
借助参照图的本发明详细示例性实施例的描述，使得本发明的上述和其他特征和优势变得更清楚，在图中图1为示意性示出了常规激光扫描单元的示意图；图2A至2D为示出了常规扫描光学透镜形状的详细示意图；图3A和3B为分别示出了常规扫描光学透镜的入射表面和出射表面的每一个表面在子扫描方向曲率的曲线图；图4为示意性示出了根据本发明一个实施例的激光扫描单元和扫描光学透镜的示意图；图5为示出了反射位置和光束直径大小怎样随偏转反射镜旋转进行变化的示意图；图6A和6B为分别示出了根据本发明一个实施例的扫描光学透镜的入射表面和出射表面的每一个表面在主扫描方向的SAG实例的曲线图；图7A至7D为分别示出了根据本发明一个实施例的扫描光学透镜的入射表面和出射表面的每一个表面在子扫描方向的曲率和曲率半径实例的曲线图；以及图8A和8B为分别示出了根据本发明一个实施例的激光扫描单元中主扫描方向和子扫描方向的每一个方向上的光束直径的曲线图。
在所有图中，相同的附图标记应当理解为指代相同的单元、组件和构件。
具体实施例方式
以下，通过参照图解释本发明的几个示例性实施例详细描述本发明。
图4为示意性示出了根据本发明一个实施例的激光扫描单元和扫描光学透镜的示意图。
如示出了激光扫描单元在主扫描方向上的成像结构截面的图4所示，所述激光扫描单元包括用于发射一束或多光束激光的激光源31，用于限定激光源31所发出的射线束的孔径光阑32，用于准直激光束以形成平行光束的准直透镜33，用于在子扫描方向上会聚平行光束的柱形透镜34，用于在主扫描方向上偏转激光束并且以恒定速率旋转的光束偏转单元35，用于使激光束在感光体37上均匀成像的扫描光学透镜36，以及暴露于激光以便形成潜像的感光体37。在图4所示的一示例性实施例中，孔径光阑32设置在激光源31和准直透镜33之间，而在本发明的又一实施例中，光阑32可设置在准直透镜33和柱形透镜34之间。此外，在本发明的又一实施例中，激光源31可包括用于在子扫描方向发射多光束激光的多激光源。
另外，光束偏转单元35包括用于在主扫描方向上将激光束朝感光体37偏转的多边形偏转反射镜(以下称作“偏转反射镜35”)，以及用于以恒定速率旋转所述偏转反射镜35的马达(未示出)。如图4所示，偏转反射镜35可包括四个偏转反射镜面以允许大的扫描角并减小偏转反射镜35尺寸。因此，从顶部观看时，偏转反射镜35可具有大致方形的形状。
在图4中，“A”表示用于使激光束在感光体37上均匀成像的扫描光学透镜36的有效扫描角，而“L”表示偏转反射镜35的表面到感光体37的成像表面的距离。如上所述，本发明的一个目的是提供一种这样的扫描光学透镜36，其容易被制造，具有大的有效扫描角(A)以及偏转反射镜35表面到成像表面的短距离(L)。此外，与常规的激光扫描单元相比，扫描光学透镜36用于提供小型化的激光扫描单元。
为此，图4的示例性扫描光学透镜36包括这样一种类型的弯月透镜，在主扫描方向(即，图4的Y轴)具有的截面形状为入射表面和出射表面在中心(即，Y轴的原点)处具有相同曲率符号的截面形状。入射表面和出射表面的形状相对于中心(Y＝0)在主扫描方向几乎对称变化。更详细地，如图4所示，扫描光学透镜36的主扫描方向上的入射截面在中心处为凸形(即，曲率符号(+))。另外，在从中心开始的正Y方向和负Y方向，入射截面在激光行进方向(即，正Z方向)弯曲，并在透镜36的端部再次在相反的方向(即，负Z方向)弯曲进而具有凹形。也就是说，扫描光学透镜36具有在透镜中心处具有凸形而在中心两侧具有凹形的入射表面。
图6A为示出了根据本发明一个实施例的扫描光学透镜的入射表面处主扫描方向的SAG(即，从参考点至激光行进方向的透镜表面深度)实例的曲线图。也就是说，图6A示出了在假定透镜表面在Z轴上的位置处于入射截面中心处的零点时透镜表面在Z轴上的位置变化，其依赖于Y轴上的变化。如图6A所示，在图4的示例性扫描光学透镜36中，入射表面的SAG在正Y方向和负Y方向上连续而大幅度地增加，并且所述SAG在透镜36的端部处略微减小。在所述示例性实施例中，正Y方向和负Y方向上的SAG大致彼此对称，无变化。
进一步，扫描光学透镜36的主扫描方向上的出射截面在中心(Y＝0)处为凹形(即，曲率符号(+))。在一个示例性实施例中，当曲率符号为正(+)时，入射表面为凸形，而当曲率符号为负(-)时，入射表面为凹形。可是，当曲率符号为正(+)时，出射表面为凹形，而在曲率符号为负(-)时，出射表面为图形。另外，在从中心处开始的正Y方向和负Y方向上，出射截面在激光行进方向(即，正Z方向)弯曲并且在相反方向(即，负Z方向)再次弯曲以形成凹形。即，扫描光学透镜36具有在中心处为凹形而在中心两侧具有凸形的出射表面。
图6B为示出了根据本发明一个实施例的扫描光学透镜36的出射表面的主扫描方向的SAG实例的曲线图。即，图6B示出了在假定透镜表面在Z轴上的位置处于出射截面中心处的零点时透镜表面在Z轴上的位置变化，其依赖于Y轴上的变化。如图6B所示，在图4的示例性扫描光学透镜36中，出射表面的SAG在正Y方向和负Y方向上略微增加至最大值。此后，SAG迅速开始减小并从透镜36中心和端部之间的中间点具有负值。另外，在透镜36的两侧处最小化SAG。在所述示例性实施例中，正Y方向和负Y方向上的SAG大致彼此对称，无变化。
参照图5能够理解为什么扫描光学透镜36的入射表面彼此不对称。通常，多边形偏转反射镜35优选地以规律的速率旋转，同时激光反射角优选地连续变化，以便在激光扫描单元中的主扫描方向上偏转激光。如图5所示，激光倾斜地入射在偏转反射镜35上以便在感光体37右侧方向(即，负Y方向)上偏转激光，并且激光几乎垂直地入射在偏转反射镜35上以便在感光体37左侧方向(即正Y方向)上偏转激光。
可是，如果多边形偏转反射镜35旋转并且控制激光的入射和反射角，则激光入射到偏转反射镜35表面上的位置以及激光从其反射的位置，按照图5所示进行变化。此外，由于激光入射在偏转反射镜35表面的入射角变化，使得反射激光的直径(即，光束直径)也略微变化。因此，入射在扫描光学透镜36上的激光的直径和入射角相对于扫描光学透镜36的中心不对称。相应地，为了更均匀地将激光扫描在感光体37上，要求不对称地设计扫描光学透镜36。
参照图7A至7D，更详细地描述根据本发明一个实施例的扫描光学透镜36的子扫描方向(图4的X轴方向)上的截面形状。图7A示出了扫描光学透镜36的入射表面的子扫描方向曲率，而图7B示出了扫描光学透镜36的出射表面的子扫描方向曲率。在图7A和7B中，入射表面和出射表面的曲率符号在扫描光学透镜36的中心处相同。因此，入射表面和出射表面总保持具有负曲率符号(-)。相应地，扫描光学透镜36具有在入射表面总为凹形而在出射表面总为凸形的子扫描方向截面。
更详细地，如图7A入射表面处的子扫描方向曲率的绝对值在中心(Y＝0)处取最大值。相应地，扫描方向曲率的绝对值在正Y方向和负Y方向迅速减小，并在透镜36的端部处略微增加。因此，示例性的扫描光学透镜36在透镜36的两个端部处分别具有至少一个最小值。在所述示例性实施例中，不对称地设计本发明的扫描光学透镜36使得负Y方向的最小值近似等于零。
在图7A的实例中，负Y方向的最小值近似等于0.00046(即，入射表面处的子扫描方向曲率为-0.00046)。图7C示出了入射表面处的子扫描方向的曲率半径。在图7C中，在曲率近似等于零的点处曲率半径近似达到-2000mm，使得透镜的入射表面几乎为平面。在此负(-)号表示透镜的入射表面为凹形。在图4中所示的本发明的一个示例性实施例中，优选的是入射表面的子扫描方向曲率近似为零，即小于零且大于大约-0.001，并且曲率的绝对值大于零且小于大约0.001。
如图7B所示，子扫描方向曲率的绝对值在根据本发明一个实施例的扫描光学透镜36的出射表面中心(Y＝0)处为最大值。另外，子扫描方向曲率的绝对值在正Y方向和负Y方向慢慢减小，并在透镜36的端部处略微增加。因此，以与入射表面相同的方式，示例性扫描光学透镜36在其两个端部处，甚至是在出射表面处具有至少一个最小值。在所述示例性实施例中，不对称地设计扫描光学透镜36以使其在两个端部处具有不同的最小值。
根据上述结构，示例性扫描光学透镜36能够调整扫描在感光体上的激光的间距和直径，并且也能扩大有效扫描角进而缩短偏转单元到感光体的距离。示例性扫描光学透镜36具有低的成像放大倍数以便提供稳定缩短光学性能，并能很容易地应用于多光束激光扫描单元。此外，由于透镜表面没有从凹形变至凸形或从凸形变至凹形，所以能够很容易地制造示例性扫描光学透镜。在其中扫描光学透镜36于入射表面和出射表面处在正Y方向和负Y方向具有大约-0.1至大约-0.0001范围内的子扫描方向截面的曲率变化的情况中，可从以下等式(1)中获得有效扫描角(A)、偏转单元到感光体的距离(L)以及扫描光学透镜的子扫描方向的成像放大倍数(M)。
等式(1)120°≥A≥85°165mm≥L≥110mm2.5倍≥M≥1.0倍在以下的示例性等式(2)和表格1中示出了根据本发明一个实施例的扫描光学透镜36的一个设计实例。首先，在以下等式(2)中表达出一般扫描光学透镜的非球面公式，等式(2)Z=Cyy21+1-Cy2(ky+1)y2+∑m=310AmYmCx(1+∑n=310BnYn)x21+1-Cx2(1+∑n=310BnYn)2x2(Y=y2,Cy=1/Ry,Cx=1/Rx)]]>其中Z表示透镜表面相对于激光行进方向的深度，x表示子扫描方向的坐标，y表示主扫描方向的坐标，Rx表示子扫描方向的曲率半径，Ry表示主扫描方向的曲率半径，ky表示非球面系数，而Am和Bn表示分别选定用于设计透镜的系数值。
为了从等式(2)中获得具有有效扫描角(A)为104.2°且距离(L)为142.9mm的示例性扫描光学透镜，按照以下表1确定所述系数。
表1
上述设计的扫描透镜36分别具有如图6A和6B以及图7A至7D所示的主扫描方向上的入射表面和出射表面的SAG，以及子扫描方向上的入射表面和出射表面的曲率，。
图8A和8B为分别示出了根据本发明一个实施例的采用所述激光扫描透镜的激光扫描单元中主扫描方向和子扫描方向上光束直径的曲线图。
如图8A和8B所示，反映出采用根据本发明一个实施例的扫描光学透镜的示例性激光扫描单元性能的曲线图，可确认光束直径的偏差在扫描持续时间内是非常小的。在曲线图中，13.5％光束直径表示激光强度为最大强度13.5％的激光的直径。
如上所述，示例性扫描光学透镜和采用该透镜的激光扫描单元可用于调整间距和扫描到感光体上的激光直径，并且也能够扩大有效扫描角进而缩短偏转单元到感光体的距离。
进一步，示例性扫描光学透镜具有低放大倍数的成像放大倍数进而提供稳定的光学性能，并能够很容易地应用于多光束激光扫描单元。相应地，可设置能够最小化并体现高的图像打印质量的激光扫描单元，尤其是多光束激光扫描单元。
仍进一步，由于透镜表面未从凹形变至凸形或从凸形变至凹形，相对容易地处理射入扫描光学透镜的金属图案。因此，能够很容易地制造扫描光学透镜，并以降低的成本生产该扫描光学透镜。
尽管参照本发明的示例性实施例已经特殊地示出并描述了本发明，但本领域技术人员应当理解在不脱离以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行各种改变。
本申请要求享有2004年7月2日在韩国知识产权局递交的申请号为No.10-20040051517的韩国专利申请的优先权，其全部内容在此结合引作参考。
权利要求
1.一种用于激光扫描单元的扫描光学透镜，其将一光束偏转单元所偏转的激光传送到一感光体上，其包括设定具有弯月形使得一入射表面和一出射表面在所述透镜的中心部分处具有相同曲率符号的一子扫描方向截面；设定成具有负曲率符号的所述入射表面和所述出射表面；以及将所述入射表面进一步设定成具有在中心处为最大值的入射表面的曲率绝对值，并在主扫描方向上在两侧的每一侧处具有至少一个最小值，并且其中所述最小值的至少一个近似等于零。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述入射表面的子扫描方向截面的曲率绝对值大于零且小于大约0.001。
3.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述透镜的子扫描方向截面中出射表面的曲率绝对值在中心处为最大值，并在主扫描方向上在两侧的每一侧处具有至少一个最小值，并且其中所述最小值的至少一个近似等于零，并且两侧处的最小值彼此不对称。
4.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述扫描光学透镜的一主扫描方向截面被设定成具有弯月形，使得入射表面和出射表面在所述透镜中心处具有相同的曲率符号，并且其中，所述入射表面和出射表面的形状在主扫描方向上相对于中心几乎对称变化。
5.根据权利要求4所述的透镜，其中，所述子扫描方向截面中入射表面和出射表面的曲率在主扫描方向上在大约-0.1至-0.0001的范围内变化。
6.根据权利要求1所述的透镜，其中，子扫描方向上的成像放大倍数被设定在大约1.0至2.5的范围内。
7.根据权利要求1所述的透镜，其中，有效扫描角处于大约85°至大约120°的范围内。
8.一种激光扫描单元，其具有发射激光的激光源，用于在主扫描方向上偏转所述激光束的光束偏转单元，用于使激光束均匀成像的扫描光学透镜以及用于通过利用激光来形成潜像的感光体，所述扫描光学透镜包括设定成具有弯月形使得入射表面和出射表面在所述透镜的中心部分具有相同曲率符号的一子扫描方向截面；设定成总是具有负曲率符号的所述入射表面和所述出射表面；以及将所述入射表面进一步设定成具有在中心处为最大值的入射表面的曲率绝对值，并在主扫描方向上在两侧的每一侧处具有至少一个最小值，并且其中，所述最小值的至少一个近似等于零。
9.根据权利要求8所述的激光扫描单元，其中，所述入射表面的子扫描方向截面的曲率绝对值大于零且小于大约0.001。
10.根据权利要求8所述的激光扫描单元，其中，所述透镜的子扫描方向截面中出射表面的曲率绝对值在中心处为最大值，并在主扫描方向上在两侧的每一侧处具有至少一个最小值且所述最小值的至少一个近似等于零，其中，两侧处的最小值彼此不对称。
11.根据权利要求8所述的激光扫描单元，其中，扫描光学透镜的主扫描方向截面被设定成具有弯月形，使得入射表面和出射表面在所述透镜中心处具有相同的曲率符号，并且其中，所述入射表面和出射表面的形状在主扫描方向上相对于中心对称变化。
12.根据权利要求11所述的激光扫描单元，其中，所述子扫描方向截面中所述扫描光学透镜的入射表面和出射表面的曲率在主扫描方向上在大约-0.1至大约-0.0001的范围内变化。
13.根据权利要求8所述的激光扫描单元，其中，有效扫描角处于大约85°至大约120°的范围内。
14.根据权利要求8所述的激光扫描单元，其中，子扫描方向上的成像放大倍数被设定在大约1.0至2.5的范围内。
15.根据权利要求8所述的激光扫描单元，其中，所述光束偏转单元到感光体的距离处于大约110mm至大约165mm的范围内。
16.根据权利要求8所述的激光扫描单元，其中，所述光束偏转单元包括用于在主扫描方向上将激光朝所述感光鼓偏转的一多边形偏转反射镜；以及用于以恒定速率旋转所述偏转反射镜的一马达，其中，所述偏转反射镜包括至少四个反射镜面。
17.根据权利要求8所述的激光扫描单元，其中，所述激光源被设定成在所述子扫描方向发射多光束激光。
全文摘要
一种用于激光扫描单元的扫描光学透镜，其使得光束偏转单元所偏转的激光在感光体上成像。所述扫描光学透镜的子扫描方向截面具有弯月形的曲率，其中所述弯月形在所述透镜中心部分的入射表面和出射表面处具有相同曲率符号。所述入射表面和出射表面总是具有负(－)曲率符号。入射表面的曲率绝对值在中心处为最大值，并在主扫描方向上在两侧的每一侧处具有至少一个最小值，并且其中所述最小值的至少一个近似等于零。
文档编号G11B7/125GK1715961SQ200510081389
公开日2006年1月4日 申请日期2005年6月30日 优先权日2004年7月2日
发明者金亨洙 申请人:三星电子株式会社