光学扫描装置和成像装置

摘要

本发明公开了一种光学扫描装置和成像装置，该光学扫描装置包括固定在单个连续构件上的半导体激光器和第一光学元件。作为衍射光学元件的第二光学元件具有其中形成有椭圆形沟槽的衍射表面，并且该衍射表面包括这样的衍射部分屈光力，使得由于在光学扫描装置中的温度变化而导致的沿着主扫描方向的光束腰部位置变化基本上变为零。其上固定着半导体激光器和第一光学元件的构件具有这样的线性膨胀系数，使得椭圆形沟槽的椭圆度增大。

权利要求

1.一种光学扫描装置，包括：

第一光学元件，该第一光学元件被构成用来将来自光源的光束转换成具有所期望形式的光束；

第二光学元件，该第二光学元件被构成用来将所述光束引导给光学反射器；以及第三光学元件，该第三光学元件被构成用来将由光学反射器反射的光束聚焦成在被扫描表面上的光点，并且被构成用来扫描所述被扫描表面，其中所述光源和第一光学元件固定在单个连续构件上，并且第一光学元件或第二光学元件为衍射光学元件，

衍射光学元件具有其中形成有椭圆形沟槽的衍射表面，衍射表面具有这样的衍射部分屈光力，使得由于光学扫描装置中的温度变化而导致的光束腰部位置沿着主扫描方向以及沿着副扫描方向的变化基本上为零，其中其上固定有光源和第一光学元件的构件具有这样的线性膨胀系数，使得椭圆形沟槽的椭圆度为0.15或更大。

2.如权利要求1所述的光学扫描装置，其中所述衍射光学元件在与衍射表面相对的表面上具有变形折射表面。

3.如权利要求1所述的光学扫描装置，其中所述衍射光学元件的衍射表面具有多个台阶，其衍射部分屈光力和折射部分屈光力的总屈光力为零。

4.如权利要求1所述的光学扫描装置，其中所述衍射光学元件为第二光学元件。

5.如权利要求4所述的光学扫描装置，其中所述第二光学元件由树脂制成。

6.如权利要求1所述的光学扫描装置，其中所述第一光学元件由树脂制成。

7.如权利要求1所述的光学扫描装置，其中所述第一光学元件为衍射光学元件，并且其中所述第一光学元件包括第二光学元件的功能。

8.如权利要求7所述的光学扫描装置，其中所述第一光学元件在与衍射表面相对的表面上具有变形折射表面。

9.如权利要求7所述的光学扫描装置，其中所述第一光学元件的衍射表面具有多个台阶，其衍射部分屈光力和折射部分屈光力的总屈光力为零。

10.如权利要求7所述的光学扫描装置，其中所述第一光学元件由树脂制成。

11.一种成像装置，该成像装置包括一个或多个成像单元，所述成像单元被构成用来使用光学扫描单元来对感光图像载体进行光学扫描以便形成潜像，该潜像由显影单元显影为可见图像，其中：所述光学扫描单元包括如权利要求1所述的光学扫描装置。

说明书

光学扫描装置和成像装置

技术领域

[0001] 本发明大体上涉及用于在图像载体上形成潜像的光学扫描装置和具有这种光学扫描装置的成像装置例如复印机、打印机、传真机、绘图机和多功能外设。

背景技术

[0002] 光学扫描装置众所周知与成像装置例如光学打印机、数字复印机和光学绘图机相联系。近年来，需要这样一种光学扫描装置，它更能买得起，更不容易受到环境影响并且能够形成精细分辨率图像。

[0003] 通过用树脂材料形成用在光学扫描装置中的各种透镜，从而能够实现重量轻和成本降低。另外，因为用树脂能够很容易形成特定表面形状例如非球形表面，所以能够获得改进的光学特性，并且能够减少构成光学系统的透镜数量。

[0004] 因此，采用树脂透镜大大有助于减小光学扫描装置的尺寸、重量和成本。但是，还公知的是，树脂透镜容易受到环境变化尤其是温度变化的影响，因此透镜的形状或折射率会变化。因此，树脂透镜的光学特征尤其是其屈光力(power)会与其设计数值不同，从而导致在扫描表面上的光束点尺寸变化。

[0005] 由于温度变化而导致的树脂透镜屈光力的这种变化在正透镜和负透镜之间相反地出现。因此，已知在光学扫描装置的光学系统中采用正和负树脂透镜，从而由于环境变化而导致的在正和负树脂透镜中产生出的光学特性变化会相互抵消。

[0006] 通常在光学扫描装置中用作光源的半导体激光器具有这样的特性，即：随着温度升高，发射光的波长朝着更长波长变化(由于温度变化而导致的波长变化)。光源的波长变化造成光学扫描装置的光学系统由于色散而出现特性变化。这种特性变化也是光束点尺寸变化的原因。

[0007] 因此，在其光学系统中包括树脂透镜并且采用了半导体激光器作为光源的光学扫描装置中，光学系统的设计需要考虑与光源波长变化相关联的光学特性变化以及与温度变化相关联的光学特性变化。

[0008] 日本特许公开专利申请No.2006-235069披露了这样一种光学扫描装置(激光扫描装置)，其中考虑了与温度变化相关联的光学特性变化和光源波长变化，其中采用衍射表面来使光学特性稳定。

[0009] 该光学扫描装置包括用于将由激光源发射出的激光转换成所期望的形式的耦合透镜以及用于将光只是沿着副扫描方向聚集在光学反射器的偏转/反射表面附近的柱状透镜，其中柱状透镜具有同心衍射表面和线性衍射表面。

[0010] 这样，可以消除由在整个光学扫描装置中的温度变化引起的沿着主扫描方向和副扫描方向的屈光力变化，从而可以总是获得稳定的光束点尺寸。

[0011] 但是，这种装置需要至少两个衍射表面。采用多个衍射表面的一个问题在于衍射效率下降，即由于形成除了所期望的衍射级的衍射光之外的衍射光而导致光学透射效率降低。如果光学元件按照其设计数值模制出，则不会出现这种问题；但是，在实际模制过程中，加工误差是不可避免的，因此衍射效率降低也是不可避免的。通常，树脂作为光透射装置比正常玻璃更差。如果树脂的透射效率由于衍射效率降低而额外降低，则会出现这样的情况，即：放置在扫描表面上的光导体即使在光束已经到达光导体的情况下也不能显影。

[0012] 最简单的解决方案在于增大半导体激光器的输出功率。但是，这会引起其它问题，例如功耗增大以及产生过多热量。

[0013] 日本特许公开专利申请No.2006-154701和2007-11113披露了采用椭圆形凹槽，从而多个衍射表面可以合并在一个表面上。

[0014] 在上面的日本特许公开专利申请No.2006-154701和2007-11113中，解决了上述衍射效率降低的问题。但是，椭圆形凹槽带来了可加工性的问题。

[0015] 也就是说，与圆形形状相反，椭圆形形状具有一直改变的局部曲率，这在位于其主轴上的椭圆边缘处呈现最大值。通常，这种平面形状是通过使用刀具对金属模制件进行机加工来形成的。

[0016] 刀具由于其强度、使用寿命等本身具有有限的尺寸。因此，当在金属模制件上的椭圆形形状的曲率非常大时，原则上可能不能加工该金属模制件。

[0017] 因为椭圆形形状的曲率越大，越难对它进行加工，或者加工精度降低，从而导致光学元件的衍射表面精度下降(由此，例如造成衍射效率降低，波前像差变差或者产生出散射光)。

[0018] 虽然可以引入能够能够进行高度困难加工的设备，但是这导致设备成本和光学元件制造成本增加。

[0019] 因为椭圆形形状的曲率取决于其椭圆度(副轴/主轴)，所以通过适当地设定椭圆度数值能够确保金属模具的可加工性。

[0020] 通过这样确保可加工性，从而可以改善光学元件的衍射表面精度，由此可以实现廉价可靠的光学元件。

发明内容

[0021] 本发明的总体目的在于提供其中消除了上述问题的光学扫描装置和成像装置。更具体的目的在于提供一种采用了椭圆形衍射表面的光学扫描装置，其中降低了由于温度变化引起的光束点尺寸变化，并且能够采用稳定的光束点尺寸来进行光学扫描。另一个目的在于提供一种使用了这种光学扫描装置的成像装置。

[0022] 还有一个目的在于使得用于上述装置的光学元件能够很容易以较低成本形成，并且无需提高加工在光学元件中所采用的衍射表面上的椭圆形形状的精度。

[0023] 根据针对光束腰部位置变化校正的普通设计基本原理，首先通过在一定程度上调节在半导体激光器和耦合透镜之间的距离来进行校正，并且只有后者是根据需要使用衍射光学元件进行的校正。因此，在衍射表面上沿着主扫描方向的衍射部分变得相对较小，从而当衍射部分形成为椭圆形形状时，其椭圆度自然变得较小。

[0024] 换句话说，衍射光学元件因此很久以前仅仅被认为是最终校正和调节单元，如后面参照实施例更详细说明的一样。

[0025] 根据本发明，颠覆了上面的普通设计构思。具体地说，衍射光学元件的校正功能被有效用来校正光束腰部位置变化，并且增大了在衍射表面上的椭圆形形状的椭圆度，从而可以完全发挥上述优点(即，改善衍射表面精度，并且由于金属模具可加工性而降低成本)。

[0026] 因此，根据本发明，采用了具有椭圆形衍射表面的衍射光学元件。

[0027] 在一个方面，本发明提供了一种光学扫描装置，它包括：第一光学元件，该第一光学元件被构成用来将来自光源的光束转换成具有所期望形式的光束；第二光学元件，该第二光学元件被构成用来将光束引导给光学反射器；以及第三光学元件，该第三光学元件被构成用来将由光学反射器反射的光束聚集成在扫描表面上的光点，并且被构成用来扫描所述扫描表面。光源和第一光学元件固定在单个连续构件上。第一光学元件或第二光学元件为衍射光学元件。衍射光学元件具有其中形成有椭圆形沟槽的衍射表面。衍射表面具有衍射部分屈光力，从而由于光学扫描装置中的温度变化而导致的光束腰部位置沿着主扫描方向以及沿着副扫描方向的变化基本上变为零。其上固定有光源和第一光学元件的构件具有这样的线性膨胀系数，从而提高了椭圆形沟槽的椭圆度。

[0028] 在优选实施方案中，衍射光学元件在与衍射表面相对的表面上具有变形的(anamorphic)折射表面。

[0029] 在另一个实施方案中，衍射光学元件的衍射表面具有多个台阶，其衍射部分屈光力和折射部分屈光力的总屈光力为零。

[0030] 在另一个实施方案中，衍射光学元件为第二光学元件。

[0031] 在另一个实施方案中，第二光学元件由树脂制成。

[0032] 在另一个实施方案中，第一光学元件由树脂制成。

[0033] 在另一个实施方案中，第一光学元件为衍射光学元件。第一光学元件包括第二光学元件的功能。

[0034] 在另一个实施方案中，第一光学元件在与衍射表面相对的表面上具有变形的折射表面。

[0035] 在另一个实施方案中，第一光学元件的衍射表面具有多个台阶，其衍射部分屈光力和折射部分屈光力的总屈光力为零。

[0036] 在另一个实施方案中，第一光学元件由树脂制成。

[0037] 在另一个方面中，本发明提供了一种成像装置，它包括一个或多个成像单元，它们构成用来使用光学扫描单元来对感光图像载体进行光学扫描以形成潜像，该潜像由显影单元显影为可见图像。光学扫描单元包括上述光学扫描装置。

[0038] 因为可以具有一个或多个成像单元，所以可以使用单个成像单元形成单色图像，或者成像装置可以如此构成，从而可以使用两个或更多个成像单元来获得二色、多色或全色图像。每个成像单元都可以设置有用于进行光学扫描的光学扫描装置。可选的是，如从日本特许公开专利申请No.2004-280056中所知一样，一部分光学元件例如光学反射器或者一部分扫描光学系统可以在多个扫描光学系统之中共享。

[0039] 在设置有两个或更多个成像单元时，可以将各个成像单元相对于单个图像载体设置在不同位置处。可选的是，如在所谓的串列式彩色成像装置中一样，针对沿着水平方向布置的各个图像载体可以设置单独的成像单元。

[0040] 下面，将对随着其光学系统包括树脂透镜的光学扫描装置的环境变化而出现的在朝着扫描表面聚集的光束的光束腰部位置变化进行简要说明。

[0041] 由于温度变化而导致的光束腰部位置变化的可能因素包括由于温度变化而导致树脂透镜的折射率变化，树脂透镜的形状变化，以及由于半导体激光器的波长变化而导致树脂透镜的折射率(色差)变化。

[0042] 由于随着温度升高而膨胀，所以树脂透镜的折射率随着其密度降低而降低。对于树脂透镜的形状而言，由于透镜随着温度升高而膨胀，所以树脂透镜的曲率降低。半导体激光器的发射波长通常随着温度升高而朝着更长波长方变化。在波长朝着更长波长方变化时，树脂透镜的折射率通常降低。

[0043] 因此，与是否为正或负透镜无关，树脂透镜如此变化，使得其屈光力的绝对值随着温度升高而降低。另一方面，由于在衍射表面上的衍射部分而导致的屈光力的绝对值不论它是正的或负的都趋向于随着波长增大而增大，因为衍射角度与波长成正比。

[0044] 因此，在光学扫描装置的光学系统中的树脂透镜的组合屈光力为正性(或负性)时，通过将在衍射表面上的衍射部分的屈光力设定为正(或负)，从而可以通过由于在衍射表面上的衍射部分中的温度变化而导致的屈光力变化来消除由于在树脂透镜中的温度变化而导致的屈光力变化。

[0045] 在这里所使用的术语在衍射表面上的“衍射部分”打算排除这些部分，例如其上可以形成衍射表面的基板，并且根据本发明不限于平面，而是可以包括球面和柱面，在那里基板也具有屈光力。

[0046] 更具体地说，考虑这样的情况，其中在包括在光学系统中的树脂透镜的屈光力和在衍射表面上的衍射部分的屈光力都为正。

[0047] 在该情况中，A>0，B>0，C>0，并且D<0(远离光学反射器的变化变为正)，其中：

[0048] A为由于树脂透镜的折射率变化而导致的光束腰部位置变化量；

[0049] B为由于树脂透镜形状变化而导致的光束腰部位置变化量；

[0050] C为因为半导体激光器的发射波长变化而引起的由于树脂透镜折射率变化而导致的光束腰部位置变化量；

[0051] D为因为半导体激光器的发射波长变化而引起的由于在折射表面上的折射部分的屈光力变化而导致的光束腰部位置变化量。

[0052] 因为温度变化而引起的光束腰部位置变化的总量为A+B+C+D。因为A至C由包括树脂透镜的光学系统决定，所以通过如此设定在衍射表面上的衍射部分的屈光力，从而满足用于消除光束腰部位置变化量的条件即A+B+C+D＝0，从而能够按照令人满意的方式来校正由于温度变化而引起的光束腰部位置变化。

[0053] 根据本发明，提高了在衍射表面上的椭圆形形状的椭圆度，由此能够实现金属模具可加工性改善，由此提高了衍射表面的精度并且降低了成本。

[0054] 因为衍射表面的屈光力如此设定，使得由于温度变化而导致的光束腰部位置沿着主扫描方向和副扫描方向的变化基本上为零，所以根据温度变化有效地校正了光束腰部位置变化。因此，能够在光束点尺寸一直稳定的情况下进行光学扫描，并且可以使用光学扫描装置在成像装置中稳定地形成图像。

附图说明

[0055] 通过结合附图阅读以下本发明详细说明，本领域普通技术人员将了解本发明的这些和其它目的、特征和优点，其中：

[0056] 图1为平面图，显示出根据本发明实施方案的光学扫描装置的光学布置；

[0057] 图2A到2C显示出变形的光学元件；

[0058] 图3为主扫描方向的图形，显示出在水平轴线上的散焦量和在垂直轴线上的光束点尺寸；

[0059] 图4为副扫描方向的图形，显示出在水平轴线上的散焦量和在垂直轴向上的光束点尺寸；

[0060] 图5示意性地显示出根据本发明一实施方案的成像装置；并且

[0061] 图6为透视图，显示出如何在金属模具上加工出衍射表面。

具体实施方式

[0062] 在下面将参照这些附图对本发明的实施方案进行说明。

[0063] 参照图1至4对根据本发明的实施方案的光学扫描装置进行说明。图1显示出根据当前实施方案的光学扫描装置的光学布置。

[0064] 标号1表示作为光源的半导体激光器。标号2表示作为第一光学元件的耦合透镜。标号3表示光圈。标号4表示作为第二光学元件的变形光学元件。标号5表示作为光学反射器的多面镜。标号6表示作为第三光学元件的扫描光学系统。标号8表示扫描表面。

[0065] 多面镜5装载隔音外壳(未示出)中，其窗口由隔音玻璃G1封住。防尘玻璃G2设置在用来发射偏转光束的图1光学系统的一部分外壳处。

[0066] 由半导体激光器1发射出的散射光束通过耦合透镜2转变成基本上平行的光束。平行光束由光圈3成型，然后入射在变形光学元件4上。穿过变形光学元件的光束在沿着副扫描方向汇聚的同时穿过隔音玻璃G1，从而在多面镜5的反射/折射表面附近形成图像，该图像沿着主扫描方向延伸。该光束然后由偏转/反射表面反射，穿过防尘玻璃G1，然后进入扫描光学系统6。

[0067] 扫描光学系统6由两个透镜6-1和6-2构成。穿过透镜6-1和6-2的光束经由防尘玻璃G2入射在扫描表面8上，从而由于扫描光学系统6的功能而在扫描表面8上形成光斑。

[0068] 在多面镜5以恒定的速度转动时，由偏转/反射表面反射的光束以恒定的角速度偏转。扫描光学系统6具有fθ特性，使得以恒定角速度偏转的入射光束的光斑以恒定的速度沿着主扫描方向(在图1中垂直地)在扫描表面上运动。因此，光斑以恒定的速度光学扫描所述扫描表面8。

[0069] 扫描光学系统6还构成变形光学元件，并且沿着副扫描方向在多面镜5的偏转/反射表面的位置和被扫描表面8的位置之间产生出几何光学成对关系，从而可以校正多面镜的光学表面角度误差。被扫描表面8实际上为感光介质的感光表面。

[0070] 变形光学元件4为变形树脂透镜，其具有形成在位于一侧上的球面上的同心屈光力衍射表面以及形成在位于另一侧上的柱面上的线性屈光力衍射表面。

[0071] 下面将描述与当前实施方案相关的实施例。

[0072] 在表1中显示出在下面实施例和比较实施例中所使用的有关玻璃材料(“玻璃1”和“玻璃2”和树脂材料(“树脂”)的数据)。

[0073] 表1：材料数据

[0074]中间数值 波长跳变 温度变化 线性膨胀系数
玻璃1 1.68963 1.68959 1.68953 7.5×10-6
玻璃2 1.51437 1.51434 1.51429 7.5×10-6
树脂1 1.52726 1.52723 1.52537 7.0×10-5

[0075] 在表1中，“中间数值”表示在25℃的参考温度下所采用的相对于波长的折射率。“温度变化”表示在温度从参考温度开始增加20℃时的折射率。在表2中显示出在光学反射器之后的光学系统数据。

[0076] 表2：在光学反射器之后的光学系统数据

[0077]Rm Rs Dx Dy n
光学反射器(旋转轴线) - - 79.75 8.8 -
扫描光学系统6-1 -279.68 -61.00 22.6 0 树脂1
-83.58762 75.85 0 -
扫描光学系统6-2 6950 110.91 4.9 0 树脂1
765.95 -68.22 158.71 0 -
扫描表面 - - - - -

[0078] 在表2中，Rm为沿着主扫描方向的近轴曲率，Rs为沿着副扫描方向的近轴曲率，Dx和Dy每一个为在每个光学元件的原点到下一个光学元件的原点之间的相对距离。单位为mm。

[0079] 例如，在相对于光学反射器的Dx和Dy的情况中，在扫描光学系统6中在透镜6-1的入射表面上的原点(在入射侧上的光轴位置)从光学反射器(多面镜5)的旋转轴线看沿着光学轴线方向(x方向，在图1中的水平方向)分开79.75mm，并且沿着主扫描方向(y方向，在图1中的垂直方向)分开8.8mm。

[0080] 透镜6-1沿着光轴的厚度为22.6mm，并且透镜6-1和6-2的表面之间间隔为75.85mm，透镜6-2沿着光轴的厚度为4.9mm，并且在透镜6-2和扫描表面之间的距离为
158.71mm。在扫描光学系统6和被扫描表面之间，设有如图1所示由玻璃1制成并且具有
1.9mm的厚度的防尘玻璃G2。

[0081] 扫描光学系统6的透镜6-1和6-2的每个表面为非球面。

[0082] 透镜6-1的入射表面以及透镜6-2的入射和出射表面为沿着主扫描方向具有圆弧形状的特殊表面，该形状由公式1表示，并且在副扫描横截面(与光轴和副扫描方向平行的虚拟横截面)中具有根据公式2沿着主扫描方向变化的曲率。

[0083] 透镜6-1的出射表面为由公式3表示的成对非球形表面。

[0084] 非圆弧形状

[0085] 沿着光轴方向的深度X由下面公式(1)表示：

[0086]

[0087]

[0088] 其中Rm为在主扫描横截面中的近轴曲率半径，Y为沿看主扫描方向距离光轴的距离，K为锥形常数，并且A1、A2、A3、A4、A5、...为高阶系数。

[0089] 在副扫描横截面中的曲率变化

[0090] 沿着主扫描方向在副扫描横截面(Y：相对于作为原点的光轴位置沿着主扫描方向的坐标)中的曲率Cs(Y)变化由下面公式(2)表示：

[0091] Cs(Y)＝1/Rs(0)+B1·Y+B2Y2+B3·Y3+B4·Y4+B5·Y5+B6·Y6+…(2)

[0092] 其中Rs(0)为在包括光轴的副扫描横截面中的曲率半径，并且B1、B2、B3、...为系数。

[0093] 旋转对称非球形表面

[0094] 沿着光轴方向的深度X由下面的公式(3)表示：

[0095]

[0096]

[0097] (3)[0098] 其中R为近轴曲率半径，H为距离光轴的距离，K为锥形常数，并且A1、A2、A3、A4、A5、...为高阶系数。

[0099] 在表3中显示出透镜6-1的入射侧表面(特殊表面)的系数。

[0100] 表3

[0101]

[0102] 在表4中显示出透镜6-1的出射侧表面(共轴非球形表面)的系数。

[0103] 表4

[0104]

[0105]

[0106] 在表5中显示出透镜6-2的入射表面(特殊表面)的系数。

[0107] 表5

[0108]

[0109] 在表6中显示出透镜6-2的出射侧表面(特殊表面)的系数。

[0110] 表6

[0111]

[0112] 在当前实施方案中，作为第二光学元件的变形光学元件采用了根据本发明的屈光力衍射表面。

[0113] 变形光学元件4为在其中在多个台阶中形成有椭圆形沟槽的一侧上具有衍射表面的树脂透镜，在那些台阶处衍射部分屈光力和折射部分屈光力的总屈光力为零。另一侧为变形表面。

[0114] 图2A-2C示意性地显示出变形光学元件4，其中水平方向对应于主扫描方向，并且垂直方向对应于副扫描方向。在图2中，变形光学元件4是从光轴方向看的。在变形光学元件的一侧4a上，具有衍射表面，其中椭圆形沟槽形成在多个台阶中，从而衍射部分屈光力和折射部分屈光力的总屈光力为零。在另一侧4b上，形成有如所示一样的变形表面。

[0115] 图2C在变形光学元件4上方显示出在与主扫描方向和光轴平行的虚拟横截面中变形光学元件4的端面。图2B在左边显示出在与副扫描方向和光轴平行的虚拟横截面中的变形光学元件4的端面。如由这些端面所示一样，透镜的一侧具有衍射表面，其中在多个台阶中形成有椭圆形沟槽，从而衍射部分屈光力和折射部分屈光力的总屈光力为零，同时另一侧具有变形表面。

[0116] 从光源侧入射在变形光学元件4上的光束(平行光束)表现为与主扫描方向平行并且在通过变形光学元件4之后沿着副扫描方向汇聚的光束。

[0117] 衍射表面的屈光力如此设定，从而由于温度变化而导致的沿着主扫描方向和副扫描方向的光束腰部位置变化基本上变为零。

[0118] 在下面，将对在衍射表面上采用多个台阶的优点进行说明。

[0119] 其屈光力如上所述设定的衍射表面通常可以采取多种形式。如上所述，衍射表面的形成非常需要高精度微型机加工技术。除非提供所需的精度，否则会出现各种不期望的问题，例如衍射效率降低，波前像差消弱并且产生散射光。

[0120] 为了确保所需的精度，高精度测量技术也是不可或缺的。但是，难以测量具有球形表面作为基本形状的衍射表面。因此，难以获得高质量衍射表面。

[0121] 根据本发明的当前实施方案，衍射表面具有阶梯结构，并且具有基本上零屈光力。阶梯结构可以通过在衍射表面上形成具有绝对值相等但符号相反的屈光力的衍射部分和折射部分来获得。这种衍射表面自然具有阶梯结构。通过采用这种结构，在衍射表面和顶部切槽(backcut)之间的关系在任意地方基本上为直角，这不仅使得测量更容易，而且还便于加工。

[0122] 因为所得到的衍射表面没有任何屈光力，所以相对于相对表面可能存在的表面之间的偏心率的影响很小，从而所需的加工精度水平可以更不严格。

[0123] 透镜的屈光率可以为其入射表面的屈光力和其出射表面的屈光力的总和。因此，在一侧具有零屈光力时，可以通过将在另一侧上的屈光力设定为适当的数值来获得所期望的透镜屈光力。

[0124] 因为衍射表面没有任何局部非平面部分，所以该表面能够非常平滑。因此，难以出现产生散射光或者光束点尺寸增大的问题。

[0125] 当在其中采用了多光束光源的光学扫描装置中使用了具有该阶梯结构的衍射表面时，获得的另一个优点在于，不容易出现由于通过光学元件沿着光轴方向的旋转而导致在扫描表面上的扫描线间距变化。

[0126] 在描述实施例之前，对比较实施例进行说明，其中没有采用任何根据本发明的技术构思。比较实施例的光学系统的组成元件如下。

[0127] 光源

[0128] 作为光源的半导体激光器1具有655nm的设计发射波长。在温度从25℃的参考温度增加1℃时，发射波长向更长波长侧变化0.2nm。

[0129] 耦合透镜

[0130] 由上述玻璃1制成的耦合透镜2设置成其前主点位于距离半导体激光器1的发光部分27mm的位置处，从而耦合透镜2在27mm的焦距处提供准直作用。耦合透镜2具有非球形表面，通过它可以充分校准准直光束的波前像差。

[0131] 半导体激光器1和耦合透镜2固定保持在由其线性膨胀系数为2.1×10-5的保持构件上。

[0132] 光圈

[0133] 光圈3具有矩形开口，其沿着主扫描方向测量的尺寸为8.14mm并且沿着副扫描方向测量的尺寸为2.96mm。光圈3使得由耦合透镜2校直的光束成型。

[0134] 变形光学元件

[0135] 变形光学元件4具有入射侧表面，该入射侧表面具有如此形成在多个台阶中的椭圆形沟槽的衍射表面，从而衍射部分屈光力和折射部分屈光力的总屈光力为零。在变形光学元件4的出射侧表面上，形成有变形表面。

[0136] 沿着主扫描方向和副扫描方向的衍射表面由下面的二次相位函数表示：

[0137] w＝Cy·y2+Cz·z2

[0138] 其中Y为相对于作为原点的光轴沿着主扫描方向的坐标；Z是相对于作为原点-3的光轴沿着副扫描方向的坐标；并且Cy和Cz为系数，从而Cy＝2.02×10 并且Cz＝-2
1.715×10 。

[0139] 光学反射器

[0140] 作为光学反射器的多面镜具有五个反射表面，并且其内接圆的半径为18mm。在变形光学元件4的出射侧表面和多面镜5的旋转轴线之间的距离如此设定，从而在图1的布置中，水平距离x＝82.97mm，并且垂直距离y＝112.77mm。

[0141] 隔音玻璃G1由玻璃1制成，并且厚度为1.9mm。其相对于y方向(即垂直方向)的入射角α为16°。

[0142] 在从光源侧入射的光束的前进方向和由偏转/反射表面反射到在被扫描表面8上图像高度为零的位置上的光束的前进方向之间形成58°的夹角。

[0143] 表7总结了上述情况。

[0144] 表7：直到光学反射器的光学系统数据

[0145]Rm Rs L n
光源 - - 55.74 -
光圈 - - 34.71 -
变形光学元件 ∞ 65.8 3 树脂1
- - - -
光学反射器(旋转轴线) - - - -

[0146] 在表7中，Rm为沿着主扫描方向的曲率半径，Rs为沿着副扫描方向的曲率半径，并且L为表面间隔。单位为mm。

[0147] 相对于25℃的参考温度在45℃下光束腰部位置的变化量如下：

[0148] 主扫描方向：-0.04mm

[0149] 副扫描方向：0.11mm

[0150] 因此，可以看出在主扫描方向和副扫描方向两者上进行了适当的校正。但是，在该情况中的椭圆度为0.12。具有这种椭圆度的衍射表面由于以下原因所以非常难以加工。一般来说，根据衍射表面的设计尺寸通过如图6所示用刀具101切割金属模具100来加工(对于模具的制造而言)加工出衍射表面。将树脂或玻璃注入到所加工出的模具中以获得用于光学元件的衍射表面。

[0151] 因此，容易出现来自切割边缘之外的刀具101的其他部分的干涉，从而必须使得刀具更窄，从而使之难以获得刀具本身所需的强度。

[0152] 另外，需要加工机器具有高响应速度，这容易导致精度损失，从而使之难以获得所需要的精度。

[0153] 下面大体上描述了导致这种小椭圆度的原因。

[0154] 在正常光学元件设计中，与副扫描方向相比在主扫描方向上更多考虑了由于温度变化导致的光束腰部位置变化。这是由于其成像横向放大率变化大约一个数量级，并且因为光束腰部位置的变化量与放大率平方成正比，通过注重对温度变化非常敏感的主扫描方向来设计光学元件，从而更容易确保整个光学扫描装置的稳定性。

[0155] 在光学扫描装置的光学元件之中，具有最大屈光力的光学元件为作为第一光学元件的耦合透镜。因此，由于温度变化而导致在作为光源的半导体激光器和耦合透镜之间的距离变化大大影响了沿着主扫描方向的光束腰部位置变化。

[0156] 在温度升高时，整个屈光力趋向于减小，如上所述。光束腰部位置的相应变化如从被扫描表面看远离光学反射器产生。另一方面，因为在半导体激光器和耦合透镜之间的间隔由于膨胀而增大，所以光束腰部位置的相应变化如从被扫描表面看朝着光学反射器产生。

[0157] 因此，通过适当地设定在半导体激光器和耦合透镜之间的间距，从而可以消除由于屈光力降低而导致的光束腰部位置变化。这意味着应该适当地设定用来固定半导体激光器和耦合透镜的材料的线性膨胀系数。

[0158] 但是，具有理想线性膨胀系数的材料不总是存在。如果存在，它会非常昂贵并且不切实际。因此，通常采用具有接近理想线性膨胀系数的实际或通用型树脂材料，并且例如通过引入衍射表面来忽视或校正由于与理想之间的差异而引起的沿着主扫描方向的光束腰部位置变化。

[0159] 结果，沿着主扫描方向在衍射表面上的衍射部分的屈光力变得相对较小，从而在衍射部分形成为椭圆形时，衍射部分的椭圆度自然变得较小。

[0160] 根据本发明，颠覆上述设计方法。为了校正由于温度变化而导致的沿着主扫描方向的光束腰部位置变化，只需要平衡以下方面因素：

[0161] (1)由于在构成光学扫描装置的整个光学元件中的折射率变化而导致的光束腰部位置变化；

[0162] (2)由于在半导体激光器和耦合透镜之间的间距膨胀或收缩而导致的光束腰部位置变化；以及

[0163] (3)由于在衍射表面上的衍射部分中的屈光力变化而导致的光束腰部位置变化。

[0164] 代替首先考虑在(1)和(2)之间的平衡然后试图通过(3)校正其差别的普通设计方法，根据本发明在一定程度上估计出容易加工的衍射表面形状，同时以整体的方式平衡了这些因素(1)至(3)。

[0165] 换句话说，对于校正光束腰部位置变化，更多考虑了衍射光学元件，以便避免衍射表面椭圆度降低。

[0166] 根据当前实施方案，考虑实际加工精度，设定0.15或更大的目标椭圆度。

[0167] 下面描述几个实施例。

[0168] 实施例1

[0169] 将半导体激光器1和耦合透镜2固定保持在其线性膨胀系数为1.0×10-5的保持构件上。

[0170] 变形光学元件4的衍射表面的系数为Cy＝2.95×10-3并且Cz＝1.747×10-2。

[0171] 相对于25℃的参考温度在45℃下光束腰部位置的变化量如下：

[0172] 主扫描方向：-0.03mm

[0173] 副扫描方向：0.13mm

[0174] 因此，可以看出在主扫描方向和副扫描方向两者上进行了令人满意的校正。椭圆度为0.169，从而可以相对容易地加工出衍射表面。

[0175] 这种可加工性导致在衍射表面中的精度更高，并且有助于保持衍射功能的质量。

[0176] 提高在衍射表面上的椭圆形形状的椭圆度的发明构思可以与衍射光学元件的材料(例如玻璃或树脂)无关地适用。在衍射光学元件由树脂形成时，也可以实现成本降低。

[0177] 在下面，对在当前实施例中的光束腰部位置变化的许可数值进行说明。

[0178] 图3和4为显示出在水平轴线上的散焦量(沿着光轴方向与光导体的偏移量)和在垂直轴线上的光束点尺寸的图形。图3为主扫描方向的图形，并且图4为副扫描方向的图形。

[0179] 当前光学系统的目标光束点尺寸为70μm×90μm。通常，光束点尺寸变化的许可量大约为目标值的±10％。在当前情况中，将许可量沿着主扫描方向和副扫描方向设定为±10μm。

[0180] 因此，光束腰部位置(在那里光束点具有最小值)的许可变化量沿着主扫描方向大约为6mm，并且沿着副扫描方向大约为13.5mm。

[0181] 实际上，不仅由于光束腰部位置变化而且还由于基于波前干扰的广播系数，所以导致光束点尺寸会增大。因此，光束腰部位置的许可变化量实际上更小。

[0182] 引起光束腰部位置变化的因素大致可以分成零件加工/安装误差和温度变化。由于零件加工/安装误差而导致的因素沿着主扫描方向产生出大约5mm的变化，并且沿着副扫描方向产生出大约8mm的变化。当然，可以通过沿着每个方向设定更严格的许可值来进一步降低光束腰部位置变化；但是这会导致成本增加。

[0183] 因此，由于温度变化而导致的光束腰部位置变化的许可量沿着主扫描方向为1mm或更小，并且沿着副扫描方向为6.5mm或更小。基于这些数值，可以确定出校正光束腰部位置变化量的适当程度(还有在比较实施例中)。

[0184] 虽然这些许可值似乎偏大，但是沿着副扫描方向的横向放大率会增大，尤其在其中光学扫描系统由单个透镜构成的类型中，并且沿着副扫描方向由于温度变化而导致的光束腰部位置的变化量相当大。例如，在当前实施例中，如果用普通玻璃透镜代替衍射光学元件，则光束腰部位置的变化量沿着主扫描方向大约为1mm，并且沿着副扫描方向大约为12mm，从而光束点尺寸将不对。

[0185] 相反，通过使得由于温度变化而导致的光束腰部位置变化量最小，从而可以容忍更大的零件加工/安装误差，因此导致生产率提高。

[0186] 实施例2

[0187] 将半导体激光器1和耦合透镜2固定保持在其线性膨胀系数为5.0×10-6的保持构件上。

[0188] 变形光学元件4的衍射表面的系数为Cy＝3.38×10-3并且Cz＝1.758×10-2。

[0189] 相对于25℃的参考温度在45℃下光束腰部位置的变化量如下：

[0190] 主扫描方向：-0.03mm

[0191] 副扫描方向：0.1mm

[0192] 因此，可以看出在主扫描方向和副扫描方向两者上进行了令人满意的校正。椭圆度为0.192，从而与在实施例1的情况中相比加工更容易。

[0193] 实施例3

[0194] 可以只是通过用树脂制作耦合透镜来提高椭圆度。

[0195] 具体地说，在该实施例1中，采用在表1中所示的树脂1作为耦合透镜的材料。耦合透镜如此设置，从而其前主点位于离半导体激光器1的发光部分35.06mm的位置处，从而在35.06mm的焦距处获得准直作用。将半导体激光器1和耦合透镜2固定保持在其线性膨-5胀系数为5.0×10 的保持构件上。

[0196] 变形光学元件4的衍射表面的系数为Cy＝7.8×10-3并且Cz＝1.55×10-2[0197] 相对于25℃的参考温度在45℃下光束腰部位置的变化量如下：

[0198] 主扫描方向：0.02mm

[0199] 副扫描方向：0.1mm

[0200] 因此，可以看出在主扫描方向和副扫描方向两者上进行了令人满意的校正。在该情况中的椭圆度为0.5，从而与在实施例2的情况中相比加工更容易。

[0201] 实施例4

[0202] 实施例4与实施例3类似，除了保持构件具有5.0×10-6的线性膨胀系数。

[0203] 变形光学元件4的衍射表面的系数为Cy＝9.35×10-3并且Cz＝1.71×10-2。

[0204] 相对于25℃的参考温度在45℃下光束腰部位置的变化量如下：

[0205] 主扫描方向：-0.03mm

[0206] 副扫描方向：0.04mm

[0207] 因此，可以看出在主扫描方向和副扫描方向两者上进行了令人满意的校正。在该情况中的椭圆度为0.55，从而与在实施例3的情况中相比加工更容易。

[0208] 实施例5

[0209] 虽然前面实施例涉及其中第一光学元件和第二光学元件是彼此独立的光学扫描装置，但是这两个光学元件可以集成在一起。这种集成光学元件将由半导体激光器发射出的散射光束转变成沿着主扫描方向基本上平行的光束。沿着副扫描方向，光束穿过隔音玻璃G1，并且聚集在多面镜5的偏转/反射表面附近，从而形成沿着主扫描方向延伸的线图像。

[0210] 在该情况中，该集成元件可以用树脂形成。

[0211] 图5显示出具有上述光学扫描装置的根据本发明第二实施方案的成像装置。

[0212] 该成像装置为串列式全色光学打印机。

[0213] 在该装置的底部中，设有用于输送从水平设置的供纸匣30提供的转印片材(未示出)的输送带32。

[0214] 在输送带32上面，设有从上游侧连续以相等间隔布置的多个图像载体，即用于黄色的光导体7Y、用于品红色的光导体7M、用于青色的光导体7C以及用于黑色的光导体7K。在下面，黄色、品红色、青色和黑色颜色分别由Y、M、C、K表示。

[0215] 光导体7Y、7M、7C和7K形成有相同的尺寸。处理构件根据电子照相过程围绕着光导体7Y、7M、7C和7K的每一个顺序设置。例如，光导体7Y由充电装置40Y、光学扫描装置50Y、显影装置60Y、转印充电装置30Y和清洁装置80Y连续包围。其它光导体3M、3C和3K同样构成。

[0216] 因此，在该成像装置中，光导体7Y、7M、7C和7K提供了用于各种颜色的被扫描表面，并且分别与光学扫描装置50Y、50M、50C和50K相关联。

[0217] 这些光学扫描装置50Y、50M、50C和50K可以单独采用如图1所示的光学布置。可选的是，光学扫描装置50Y、50M、50C和50K可以按照从例如日本特许公开专利申请No.2004-280056所知的方式共享光学反射器(多面镜)，并且在每个光学扫描装置的扫描光学系统中的透镜6-1对于光导体7M和7Y的光学扫描以及对于光导体7K和7C的光学扫描可以共享。

[0218] 在输送带32周围，电阻辊对9和输送带充电装置10设置在光导体7Y上游。在光导体7K的下游，例如设有输送带分离充电装置11、中和充电装置12和清洁装置13。在输送带分离充电装置11沿着输送方向的更下游位置，设有定影装置14，输送通道从那里经由排纸辊16进一步延伸至出纸盘15。

[0219] 在该结构中，在全色模式中，例如根据用于各个颜色Y、M、C和K的图像信号通过由光学扫描装置50Y、50M、50C和50K的每一个进行的光学扫描在光导体7Y、7M、7C和7K的每一个上形成静电潜像。用相应颜色的调色剂将每个静电潜像显影成调色剂图像。在转印片材输送时用于各个颜色的调色剂图像通过静电吸附到输送带32上而连续转印并且重叠在转印片材上。在通过定影装置14使全色图像定影之后，将打印好的转印片材排出到出纸盘15上。

[0220] 通过给成像装置配备如参照这些实施例所述的光学扫描装置，从而可以获得一直稳定的光束点尺寸，由此可以用紧凑的尺寸和较低的成本实现适用于精细分辨率打印的成像装置。

[0221] 虽然已经参照某些实施方案对本发明进行了详细说明，但是在下面权利要求中所述和限定的本发明精神和范围内可以存在许多变化和变型。

[0222] 本申请基于2007年8月30日提交的日本在先申请No.2007-224733，其全部内容在这里被引用作为参考。