專利名稱：激光光學單元、激光光學設(shè)備和成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光光學單元，激光光學設(shè)備和包括這種激光光學設(shè)備的成像設(shè)備。
背景技術(shù)：
作為提高諸如復(fù)印機和打印機之類成像設(shè)備的處理速度的手段，提出了各種通過同時并行掃描多個激光來形成圖像的技術(shù)。例如，在JP Tokukai-sho-57-22218A(下面稱為“專利文件1”)中，公開一種通過使用具有多個發(fā)光元件的半導(dǎo)體激光陣列，通過沿副掃描方向排列所述多個發(fā)光元件，以及通過進行并行掃描，高速形成圖像的技術(shù)。
但是，從半導(dǎo)體激光陣列發(fā)出的多個激光(光束)的特性非常一致，它們高度相干。因此，如果某一光源發(fā)光的時間與另一光源發(fā)光的時間重疊，那么在多個激光相交的區(qū)域中會出現(xiàn)干涉條紋。用于在感光鼓上形成束斑(beam spot)的狹縫(slit)(孔徑)位于包含在激光掃描光學系統(tǒng)中的準直透鏡之后。當由于不穩(wěn)定的激光振蕩，干涉條紋的分布發(fā)生變化時，通過狹縫的光量發(fā)生變化。這導(dǎo)致密度(density)方面的變化(不均勻性)。從而，圖像質(zhì)量降低。例如，在整個為黑色的圖像上出現(xiàn)不規(guī)則的白線。為了控制通過狹縫的光量的上述變化，在JP Tokukai-2004-109588A(下面稱為“專利文件2”)中提出了選擇狹縫寬度的方法。
但是，就上述專利文件2中公開的方法來說，狹縫寬度被改變。這影響了曝光面(例如，感光鼓表面)上的束斑的直徑。于是，為了使曝光面上的束斑的直徑為預(yù)定值，必須改變例如透鏡的特性。這意味著激光掃描光學系統(tǒng)被重新設(shè)計。從而，開發(fā)成本和工時增大。

發(fā)明內(nèi)容
在上述背景情況下，做出了本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的是控制由多個激光的干涉而引起的光量的變化，而不改變具有多個發(fā)光元件的常規(guī)激光掃描光學系統(tǒng)。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種將裝入具有沿主掃描方向掃描光束的掃描器的激光光學設(shè)備中的激光光學單元包含包括兩個發(fā)光元件的激光光源，一個發(fā)光元件發(fā)光的時間與另一發(fā)光元件發(fā)光的時間重疊；為從激光光源發(fā)出的兩個光束設(shè)置的準直透鏡；和為所述兩個光束設(shè)置的狹縫，用于限制從準直透鏡輸出，并且輸入到掃描器中的兩個光束的傳播，其中0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)，這里θ(°)是所述兩個發(fā)光元件的排列方向與副掃描方向相遇的角度，d(微米)是所述兩個發(fā)光元件之間的距離，λ(納米)是激光的波長，f(毫米)是準直透鏡的焦距，w(毫米)是狹縫的寬度。
最好，狹縫的縱向方向?qū)?yīng)于主掃描方向。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，激光光學設(shè)備包括包含兩個發(fā)光元件的激光光源，一個個發(fā)光元件發(fā)光的時間與另一發(fā)光元件發(fā)光的時間重疊；為從激光光源發(fā)出的兩個光束設(shè)置的準直透鏡；為所述兩個光束設(shè)置的狹縫，用于限制從準直透鏡輸出的兩個光束的傳播；和為所述兩個光束設(shè)置的一個掃描器，用于沿主掃描方向掃描通過狹縫的所述兩個光束，其中激光光源被這樣設(shè)置，使得滿足不等式0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)，這里θ(°)是所述兩個發(fā)光元件的排列方向與副掃描方向相遇的角度，d(微米)是所述兩個發(fā)光元件之間的距離，λ(納米)是激光的波長，f(毫米)是準直透鏡的焦距，w(毫米)是狹縫的寬度。
最好，狹縫的縱向方向?qū)?yīng)于主掃描方向。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，成像設(shè)備包含所述激光光學設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明，能夠控制由多個激光的干涉引起的光量方面的變化，而不必改變常規(guī)的激光掃描光學系統(tǒng)。
另外，按照包括本發(fā)明的激光光學設(shè)備的成像設(shè)備，通過控制由多個激光的干涉所引起的光量的變化，能夠防止圖像質(zhì)量的降低。


根據(jù)下面給出的詳細說明和只是作為例子給出的，從而并不意圖限制本發(fā)明的范圍的附圖，將更充分地理解本發(fā)明，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的成像設(shè)備的大致結(jié)構(gòu)；圖2表示圖1中所示的成像設(shè)備中的曝光單元(激光掃描光學系統(tǒng))的大致結(jié)構(gòu)；圖3表示激光光源、準直透鏡和狹縫的相對位置；圖4A表示兩個平面波的干涉，圖4B表示波數(shù)矢量k1和k2與矢量K之間的關(guān)系；圖5A表示單一激光的強度在x軸方向上的分布，圖5B表示單一激光的強度在y軸方向上的分布，圖5C表示單一激光的強度在狹縫表面(x-y平面)上的分布；圖6A表示當兩個激光相互干涉時，在狹縫表面上獲得的光強度的分布的例子，圖6B表示當兩個激光相互干涉時，在狹縫表面上獲得的光強度的分布的另一例子；圖7表示(狹縫寬度w/干涉條紋周期Λ)和對比度C之間的關(guān)系；圖8表示當包括在激光光源中的兩個發(fā)光元件的排列方向相對于副掃描方向傾斜θ角時產(chǎn)生的有效狹縫寬度w′；圖9表示激光光源的傾斜角θ與白線的出現(xiàn)之間的關(guān)系；圖10A表示如果所述兩個發(fā)光元件的排列方向近似平行于副掃描方向，所獲得的束斑的相對位置，圖10B表示如果所述兩個發(fā)光元件的排列方向相對于副掃描方向傾斜θ角，所獲得的束斑的相對位置；圖11表示當激光光源相對于副掃描方向被傾斜時所獲得的掃描線。
具體實施例方式
下面參考

本發(fā)明的一個實施例。
首先說明該實施例的結(jié)構(gòu)。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的成像設(shè)備100的大致結(jié)構(gòu)的圖。成像設(shè)備100是復(fù)印機、打印機等，包括通過在感光鼓1上掃描激光形成靜電潛像的曝光單元10，感光鼓1，使感光鼓1帶電荷的充電單元(charging unit)2，把墨粉附著到感光鼓1上的顯影單元3，轉(zhuǎn)印單元4，清除感光鼓1的表面上的殘留墨粉的清潔器5，和使感光鼓1的表面中和的電荷中和單元6。轉(zhuǎn)印單元4包括通過使轉(zhuǎn)印紙P帶電，并通過使轉(zhuǎn)印紙P吸附墨粉圖像，進行轉(zhuǎn)印的轉(zhuǎn)印電極4A，和中和轉(zhuǎn)印紙P，從而把轉(zhuǎn)印紙P與感光鼓1分開的分離電極4B。在本實施例中，假定感光鼓1的旋轉(zhuǎn)方向是副掃描方向，并且感光鼓1的軸向(長度方向)是主掃描方向。
為了形成圖像，充電單元2首先均勻地使感光鼓1的表面帶電。根據(jù)掃描器從原稿讀出的圖像數(shù)據(jù)，從曝光單元10發(fā)出激光，在感光鼓1上形成潛像。潛像由顯影單元3反轉(zhuǎn)顯影，在感光鼓1上形成墨粉圖像。從供紙單元(未示出)供給的轉(zhuǎn)印紙P被傳送到轉(zhuǎn)印位置。
轉(zhuǎn)印電極4A把轉(zhuǎn)印紙P壓在感光鼓1的顯影面上。因此，使轉(zhuǎn)印紙P帶電，感光鼓1上的墨粉圖像吸附到轉(zhuǎn)印紙P上。按照這種方式完成轉(zhuǎn)印。分離電極4B中和帶電的轉(zhuǎn)印紙P，從而把轉(zhuǎn)印紙P和感光鼓1分開。定影單元(未示出)隨后通過對轉(zhuǎn)印紙P加熱和加壓，把墨粉圖像定影在轉(zhuǎn)印紙P上。轉(zhuǎn)印紙P由傳送輥輸送。清潔器5清除感光鼓1上的殘留墨粉。電荷中和單元6中和感光鼓1，使其表面均勻。從而，結(jié)束用于形成圖像的一系列步驟。
就數(shù)字成像設(shè)備，例如數(shù)字復(fù)印機和打印機來說，為了形成圖像，通常通過利用激光掃描感光鼓來完成曝光。圖2是表示包括在曝光單元10中的激光掃描光學系統(tǒng)的例子的透視圖。
如圖2中所示，激光掃描光學系統(tǒng)包括具有兩個發(fā)光元件11a和11b的激光光源11，準直透鏡12，狹縫13，柱面透鏡14，多面反射鏡15，fθ透鏡16，柱面透鏡17，反射鏡18，和水平同步傳感器19。包括在激光光源11中的兩個發(fā)光元件11a和11b是半導(dǎo)體激光器，它們的排列方向與副掃描方向成θ角。后面將詳細說明如何計算θ角。反射鏡18和水平同步傳感器19被設(shè)置在離開感光鼓1上將形成圖像的區(qū)域的位置處。
根據(jù)本發(fā)明的激光光學單元包括圖2中所示的激光光源11，準直透鏡12和狹縫13。根據(jù)本發(fā)明的激光光學設(shè)備包含這種激光光學單元和多面反射鏡15。
分別從發(fā)光元件11a和11b發(fā)射出的兩個光束由準直透鏡12準直。通過準直透鏡12的兩個光束的傳播由在感光鼓1上形成束斑的狹縫13限制。通過狹縫13的所述兩個光束由柱面透鏡14射向旋轉(zhuǎn)多面反射鏡15的鏡面，并從所述鏡面被反射。從而，使所述兩個光束偏轉(zhuǎn)。多面反射鏡15的反射鏡面可被看作虛擬光源。從所述虛擬光源到感光鼓1的表面的距離取決于反射鏡面的方向，從而，用fθ透鏡16補償從虛擬光源發(fā)出的光束對主掃描速度的影響。
通過fθ透鏡16的兩個光束由柱面透鏡17射向感光鼓1。射向感光鼓1的兩個光束被表示成圖2中所示的掃描線La和Lb。如圖2中所示，從多面反射鏡15反射的兩個光束的一部分被反射鏡18反射。反射鏡18反射的這兩個光束由水平同步傳感器19檢測。根據(jù)檢測結(jié)果確定利用這兩個光束開始曝光的位置。在包括圖2中所示的曝光單元10的成像設(shè)備100中，通過旋轉(zhuǎn)多面反射鏡15執(zhí)行掃描曝光(主掃描)，通過旋轉(zhuǎn)感光鼓1執(zhí)行副掃描。從而，形成圖像。
圖2中，具有八個鏡面的多面反射鏡15被用作通過使用通過狹縫13的兩個光束，沿主掃描方向掃描的掃描器。但是，掃描器的鏡面的數(shù)目沒有特殊限制。
圖3是表示激光光源11，準直透鏡12和狹縫13的相對位置的圖。如圖3中所示，在從激光光源11發(fā)射出的兩個光束通過準直透鏡12之后，這兩個光束中的主要光線彼此相交。如果它們之間的角度為2α，包括在激光光源11中的兩個發(fā)光元件之間的距離為d，并且準直透鏡12的焦距為f，那么下述關(guān)系式成立
sinα＝d/(2·f)(1)其中|α|＜＜1。通常狹縫13位于準直透鏡12像側(cè)的焦點附近。
從激光光源11發(fā)射出的兩個光束的特性非常一致，它們高度相干。于是，在這兩個光束彼此相交的區(qū)域中出現(xiàn)干涉條紋。圖4A表示兩個平面波的干涉。下面，這兩個平面波分別被稱為平面波1和2。如果平面波1和2的強度分別為I1和I2，并且平面波1和2的波數(shù)矢量(三維矢量)分別為k1和k2，那么通過組合平面波1和2而獲得的締合波(associated wave)的強度I由下式給出I=I1+I2+2I1·I2cos[(k1-k2)·r+φ10-φ20]---(2)]]>這里矢量r是所述兩個平面波所存在的三維空間中的任意方向矢量(x，y，z)，Φ10是平面波1的初始相位，Φ20是平面波2的初始相位。如果平面波1和2的波長都為λ，那么平面波1和2的波數(shù)矢量的絕對值滿足等式|k1|=|k2|=2πλ---(3)]]>等式(2)給出的締合波對應(yīng)于駐波，其頻率恒定，其振幅根據(jù)位置而變化。獲得相同振幅和相同強度的位置由等式(4)所給出的矢量指示，并且在與所述兩個平面波的傳播方向的二等分線垂直的一組平面上。
K＝k1-k2(4)圖4B表示波數(shù)矢量k1和k2與矢量K之間的關(guān)系。締合波上獲得相同振幅和相同強度的位置之間的距離Λ由下式給出Λ=2π|K|=λ2sinα---(5)]]>圖5A-5C表示在單一激光(一個光束)通過狹縫13的情況下，在狹縫13表面上的強度的分布。圖5A表示x軸方向(沿狹縫13的縱向)的強度分布。圖5B表示y軸方向(垂直方向)的強度分布。這種情況下，x軸方向?qū)?yīng)于主掃描方向，y軸方向?qū)?yīng)于副掃描方向。如圖5A和5B中所示，如果使用單一激光，那么在中部獲得最大的強度，強度分布形成光滑的曲線。于是，如圖5C中所示，在狹縫表面(x-y平面)上的強度分布中，不出現(xiàn)干涉條紋。另一方面，如果兩個激光(兩個光束)通過狹縫13，那么這些激光相互干涉。因此，在狹縫表面上獲得圖6A或6B中所示的強度分布，在一個周期的Λ(由等式(5)給出)中，出現(xiàn)干涉條紋。
只有部分干涉條紋通過狹縫13。于是，當由于激光光源11的不穩(wěn)定激光振蕩，干涉條紋的分布發(fā)生變化時，通過狹縫13的光量(quantity of light)發(fā)生變化。圖7表示狹縫13的副掃描方向的寬度w與干涉條紋周期Λ的比值(w/Λ)和對比度C之間的關(guān)系，對比度C是變化量與通過狹縫13的光量的平均值的比值。實際上，從激光光源11發(fā)出的兩個光束在光量方面可以稍微不同，從而對比度C的最大值小于1，對比度C的最小值大于0。
根據(jù)等式(1)和(5)，w/Λ由下式給出w/Λ＝(w·d)/(f·λ)(6)在本實施例中，假定在狹縫13的副掃描方向上的寬度w(下面稱為“狹縫寬度”)為0.58毫米，包括在激光光源11中的兩個發(fā)光元件之間的距離d為14微米，準直透鏡12的焦距f為12毫米，激光的振蕩波長λ為780納米。這種情況下，w/Λ＝(w·d)/(f·λ)＝0.868。在圖7中，當w/Λ＝0.868時，C的值約為0.15，光量的變化稍低于30％。實際上，在整個為黑色的圖像上有時出現(xiàn)不規(guī)則的白線，導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低。從圖7中可看出，當w/Λ的值接近1時，對比度C的值變得更小。這意味著能夠降低光量的變化。
因此，如圖2中所示，發(fā)光元件11a和11b的排列方向相對于副掃描方向傾斜θ角。這樣，如圖8中所示，有效狹縫寬度相對于干涉條紋周期擴展。有效狹縫寬度w′由下式給出w′＝w/cosθ (7)通過傾斜狹縫13，能夠?qū)崿F(xiàn)和等式(7)獲得的效果同樣的效果。但是，束斑的直徑變化，從而這種方法并不恰當。
圖9表示發(fā)光元件11a和11b的排列方向的傾斜角θ與整個為黑色的圖像上不規(guī)則白線的出現(xiàn)之間的關(guān)系。從圖9可看出，如果傾斜角θ≥6°，那么不會出現(xiàn)不規(guī)則的白線。如果θ＝6°，那么(w′·d)/(f·λ)＝0.872，對比度C＝0.14。這種情況下，光量的變化低于25％。即，如果傾斜角θ滿足下述不等式，那么在整個為黑色的圖像上不會出現(xiàn)不規(guī)則的白線。
(w·d)/(f·λ·cosθ)≥0.872(8)在本實施例中，θ＝10°。于是，(w·d)/(f·λ·cosθ)＝0.881。該值滿足不等式(8)，從而在整個為黑色的圖像上不會出現(xiàn)不規(guī)則的白線。
順便地，感光鼓1上的束斑的相對位置根據(jù)發(fā)光元件11a和11b的排列方向相對于副掃描方向傾斜的角度而變化。圖10A表示如果發(fā)光元件11a和11b的排列方向近似平行于副掃描方向，所獲得的束斑的相對位置。圖10B表示如果發(fā)光元件11a和11b的排列方向相對于副掃描方向傾斜θ角，所獲得的束斑的相對位置。通過調(diào)整借助其調(diào)制每個激光的圖像數(shù)據(jù)的時間，能夠控制束斑之間主掃描方向上的距離。
束斑之間副掃描方向上的距離被稱為副掃描間距。如果發(fā)光元件11a和11b的排列方向近似平行于副掃描方向，那么發(fā)光元件11a和11b間的距離d與副掃描間距p之間的關(guān)系由下式給出p＝β·d(9)其中β是激光掃描光學系統(tǒng)的副掃描方向上的放大倍率。
如果發(fā)光元件11a和11b的排列方向相對于副掃描方向被傾斜θ角，那么副掃描間距p1由下式給出p1＝β·d·cosθ (10)圖11表示由對應(yīng)于從發(fā)光元件11a和11b發(fā)出的光束的束斑形成的掃描線(實線)。如圖11中所示，對應(yīng)于從相同發(fā)光元件發(fā)出的光束的束斑之間的掃描間距為2·p，與發(fā)光元件11a和11b的排列方向是否相對于副掃描方向被傾斜無關(guān)。于是，如圖11中所示，與從相同發(fā)光元件發(fā)出的光束對應(yīng)的束斑之間的掃描間距2·p等于副掃描間距p1和p2之和。即，p2由下式給出p2＝2·p-p1(11)當圖11中所示的p1和p2之間的差異變大時，產(chǎn)生密度(density)方面的定期變化。這導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低。(p1-p2)和圖像質(zhì)量的降低之間的關(guān)系的實際檢查表明當(p1-p2)大于或等于等式(9)給出的副掃描間距p的四分之一時，在圖像中出現(xiàn)顯著的缺陷，比如密度或莫爾條紋(moiré)的周期變化。假定副掃描間距變化由(p1-p2)/(p1+p2)給出。當p1-p2＝(1/4)·p時，副掃描間距變化為0.125。另外，確定當副掃描間距變化小于或等于0.1時，在圖像中不會出現(xiàn)缺陷。該條件可被寫為(p1-p2)/(p1+p2)≤0.1 (12)即，根據(jù)等式(9)、(10)和(11)，以及不等式(12)，如果發(fā)光元件11a和11b的排列方向相對于副掃描方向傾斜的角度θ滿足下述不等式，那么不會發(fā)生密度的周期變化cosθ≥0.9(13)于是，根據(jù)不等式(8)和(13)，傾斜角θ應(yīng)滿足下述不等式，以控制由多個激光的干涉所引起的密度的不規(guī)則變化，以及由副掃描間距的變化所引起的密度的規(guī)則變化。
0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ) (14)在本實施例中，6°≤θ≤25°的范圍滿足不等式(14)。不等式(14)指示的條件不是物理條件，而是用于設(shè)計激光掃描光學系統(tǒng)的光學條件。
2005年4月20日申請的日本專利申請No.Tokugan 2005-122174的整個公開內(nèi)容，包括說明書、權(quán)利要求、附圖和摘要在此整體引為參考。
權(quán)利要求
1.一種激光光學單元，所述激光光學單元將被裝入具有沿主掃描方向掃描光束的掃描器的激光光學設(shè)備中，所述激光光學單元包含包括兩個發(fā)光元件的激光光源，一個發(fā)光元件發(fā)光的時間與另一發(fā)光元件發(fā)光的時間重疊；為從激光光源發(fā)出的兩個光束設(shè)置的準直透鏡；和為所述兩個光束設(shè)置的狹縫，用于限制從準直透鏡輸出，并且輸入到掃描器中的兩個光束的傳播，其中0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)這里θ(°)是所述兩個發(fā)光元件的排列方向與副掃描方向相遇的角度，d(微米)是所述兩個發(fā)光元件之間的距離，λ(納米)是激光的波長，f(毫米)是準直透鏡的焦距，w(毫米)是狹縫的寬度。
2.按照權(quán)利要求1所述的激光光學單元，其中狹縫的縱向方向?qū)?yīng)于主掃描方向。
3.一種激光光學設(shè)備，包括包含兩個發(fā)光元件的激光光源，一個個發(fā)光元件發(fā)光的時間與另一發(fā)光元件發(fā)光的時間重疊；為從激光光源發(fā)出的兩個光束設(shè)置的準直透鏡；為所述兩個光束設(shè)置的狹縫，用于限制從準直透鏡輸出的兩個光束的傳播；和為所述兩個光束設(shè)置的一個掃描器，用于沿主掃描方向掃描通過狹縫的所述兩個光束，其中激光光源被這樣設(shè)置，使得滿足不等式0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)這里θ(°)是所述兩個發(fā)光元件的排列方向與副掃描方向相遇的角度，d(微米)是所述兩個發(fā)光元件之間的距離，λ(納米)是激光的波長，f(毫米)是準直透鏡的焦距，w(毫米)是狹縫的寬度。
4.按照權(quán)利要求3所述的激光光學設(shè)備，其中狹縫的縱向方向?qū)?yīng)于主掃描方向。
5.一種包含按照權(quán)利要求3所述的激光光學設(shè)備的成像設(shè)備。
全文摘要
具有沿主掃描方向掃描光束的掃描器的激光光學設(shè)備中的激光光學單元，它包括包括兩個發(fā)光元件的激光光源，一個發(fā)光元件發(fā)光的時間與另一發(fā)光元件發(fā)光的時間重疊；為從所述光源發(fā)出的兩個光束設(shè)置的準直透鏡；和為所述兩個光束設(shè)置的狹縫，用于限制所述兩個光束從準直透鏡到掃描器的傳播，其中0.9≤cosθ≤(w·d)/(0.872·f·λ)，這里θ(°)是所述兩個發(fā)光元件的排列方向與副掃描方向相遇的角度，d(微米)是所述兩個發(fā)光元件之間的距離，λ(納米)是激光的波長，f(毫米)是準直透鏡的焦距，w(毫米)是狹縫的寬度。
文檔編號G03G15/00GK1854800SQ200510138130
公開日2006年11月1日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月20日
發(fā)明者關(guān)根春行 申請人:柯尼卡美能達商用科技株式會社