CN101187731B

CN101187731B - 扫描单元及图像形成设备

Info

Publication number: CN101187731B
Application number: CN2007101868350A
Authority: CN
Inventors: 林善纪; 渡边直人; 市井大辅; 久保信秋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: USRE45945E1; JP4849618B2; CN101187731A; US20080123159A1; US8199179B2; JP2008129490A

Abstract

一种图像形成设备中的扫描单元，包括光源、耦合透镜、孔、图像形成透镜及多面镜。光源包括多个面发射激光器。在光源发出的光束的光路上布置耦合透镜、孔和图像形成透镜。多面镜将耦合透镜形成的图像的光束偏转到感光鼓以进行扫描。将副扫描方向上图像形成透镜的焦距设置为等于或小于图像形成透镜和孔之间的光路长度。

Description

扫描单元及图像形成设备

本申请要求2006年11月24日于日本申请的日本优先权文件2006-316751的优先权，并将该文件的全部内容并入本文作为参考。

技术领域

本发明一般涉及扫描单元，具体涉及光学扫描单元。

背景技术

使用激光的图像形成设备正被广泛用于打印电子图像。该种图像形成设备通常包括扫描单元和感光鼓。扫描单元包括朝着感光鼓偏转激光的多边形扫描器(例如，多面镜)，多边形扫描器是旋转的，从而用激光扫描感光鼓的表面。由于该扫描，在感光鼓的表面上形成潜像。在图像形成设备中，必须增加图像密度以具有较好的图像质量，并且必须快速输出图像以具有较好的操作性能。

增加图像密度和输出速度的一种方法是快速旋转多边形扫描器。然而，如果高速旋转多边形扫描器，则噪音和能量消耗增大，并且多边形扫描器的耐用性降低。

另一种方法是从光源发出的光通量产生多重光束。如日本专利申请No.2005-250319和日本专利申请No.2004-287292所揭示的，下面的三个方案可用于实现多重光束：

(1)结合多个面(facet)发射激光器；

(2)使用一维阵列的面发射激光器；

(3)使用二维阵列的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

在方案(1)中，由于可以使用通用目的的激光器，因此可以实现较低的价格，但是使用多个光束以稳定的保持激光器和耦合透镜之间的相对位置关系是困难的，并且扫描目标表面上形成的多个扫描线之间的间隔(下文称为“扫描线间隔”)有可能变得不均匀。而且，在方案(1)中，实际光源的数量有限，并且密度增长和速度的增加也有限。在方案(2)中，可以形成均匀的扫描线间隔，但是该方案具有增加部件能量消耗的缺点。另外，当光源的数量极大地增加时，每一个光束距光学***的光轴的位移量增加，并且可能降低所谓的光束质量。

另一方面，在方案(3)中，能量消耗比面发射激光器的能量消耗小一位数，并且可以二维地结合更多光源。

日本公开的专利申请No.2005-250319揭示了一种光发射设备，该设备包括以二维阵列布置多个独立和可调整的发光元件的多个光源，以及耦合从发光元件发出的发散光束的耦合透镜。将该光发射设备安装在依次装配在图像形成设备中的扫描单元上。

日本公开的专利申请No.2004-287292揭示了一种扫描单元(该扫描单元包括表面发射激光器的阵列)以及装配该扫描单元的图像形成设备。

在传统的扫描单元中，目标表面上副扫描方向的光束的光束间隔(下文称为“副扫描光束间隔”)偏离预定的光束间隔。随着高密度图像形成技术的日益提高，必须防止由于副扫描光束间隔的偏离而损害图像质量。

发明内容

本发明的目的是至少部分地解决传统技术中的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种扫描单元，其通过使用光通量扫描扫描目标表面，所述扫描单元包括：光源，其具有多个面发射激光器，每一个激光器发出光束；耦合透镜，其接收来自光源的光束并使光束成为实质地平行光；孔，其接收所述平行光并限定所述平行光的直径，从而获得限定直径的平行光；图像形成透镜，其接收所述限定直径的平行光并在副扫描方向上形成图像；以及光偏转器，其布置于接近图像形成透镜的焦点处，并接收图像的光束且将光束偏转以扫描目标表面；其中副扫描方向上图像形成透镜的焦距等于或小于图像形成透镜和孔之间的光路长度。

根据本发明的另一个方面，提供一种图像形成设备，包括：至少一个单元的图像载体；以及至少一个单元的用于扫描图像载体的上述扫描单元。

结合附图，通过阅读本发明当前最佳实施例的以下详细说明，可以更好的理解本发明的上述和其它的目的、特征、优点及技术和产业意义。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的激光打印机的示意图；

图2是图1所示扫描单元的详细示意图；

图3是图2所示光源中包括的二维阵列的垂直腔面发射激光器的示意图；

图4是解释图3所示二维阵列中的VCSEL的编号方式的图；

图5是图3所示二维阵列中的VCSEL的横截面示图；

图6是图5所示部分VCSEL的放大示图；

图7是解释图2所示扫描单元的部件之间的位置关系的示图；

图8是图2所示孔板的放大的前视图；

图9是由第1发光元件发出的光束的光路和由图像形成透镜的第40发光元件发出的光束的光路的曲线图，如图2所示的该图像形成透镜在副扫描方向上具有等于或小于图像形成透镜和孔板之间的光路长度的焦距；

图10是由第1发光元件发出的光束的光路和由图像形成透镜的第40发光元件发出的光束的光路的曲线图，该图像形成透镜在副扫描方向上具有大于图像形成透镜和孔板之间的光路长度的焦距；

图11是描述根据在图1所示感光鼓上的图像高度的主扫描方向和副扫描方向上光束的直径(光束直径)的表格；

图12是传统孔板的放大的前视图；

图13是描述当使用传统孔板时根据感光鼓上的图像的高度主扫描方向上和副扫描方向上的光束直径；

图14A和14B是解释图3所示VCSEL发出的光束的细节的示图；

图15是根据本发明第一实施例的另一二维阵列VCSEL的示意图；

图16是图15所示另一二维阵列中的VCSEL的横截面示图；

图17是图16所示VCSEL的放大示图；

图18是描述不同类型的VCSEL的特性的表格；

图19A和19B是解释由边射型激光器发出的光束的细节的示图；

图20是描述光学元件的偏振方向和该光学元件的光使用效率之间的关系的表格；

图21是典型的串联式彩色图像形成设备的示意图。

具体实施方式

参考附图，下面详细说明本发明的示例性实施例。本发明并非限制于这些示例性实施例。

图1是根据本发明第一实施例的作为图像形成设备的激光打印机500的示意图。

激光打印机500包括扫描单元900、感光鼓901、充电器902、显影辊903、墨粉盒904、清洁刮片905、进纸托盘906、进纸辊907、配准辊对908、定影辊909、放纸托盘910、转印充电器911及放纸辊912。

将充电器902、显影辊903、转印充电器911及清洁刮片905以此顺序沿着感光鼓901的旋转方向(图1的箭头所示的顺时针方向)布置在接近感光鼓901的周围。

在感光鼓901的表面上布置感光层。换句话说，感光鼓901的表面是扫描的目标表面(下文称作“目标表面”)。

充电器902均匀地对感光鼓901的表面即感光层充电。

基于来自高级设备(例如，个人计算机)的图像信息，扫描单元900将感光鼓901的充电表面曝光于调制光。这样，曝光于该光的感光鼓901的表面部分的电荷变为中性的。作为结果，在感光鼓901的表面上形成相应于图像信息的潜像。然后潜像到达显影辊903。将感光鼓901的纵向(沿着旋转轴的方向)作为主扫描方向，而将感光鼓901的旋转方向作为副扫描方向。下面进一步说明扫描单元900。

墨粉盒904包括将要向显影辊903提供的墨粉。每当打开电源或在打印过程结束时检测墨粉盒904中的墨粉数量。当剩余的墨粉数量较少时，在显示部件(未示出)上显示消息要求用户替换墨粉盒904。

当显影辊903旋转时，在显影辊903的表面上均匀并稀薄地涂敷带电的墨粉。还对显影辊903施加电压从而在感光鼓901的带电部分(未暴露于光的部分)和未带电部分(暴露于光的部分)上生成彼此对立的电场。随后，仅将显影辊903表面上的墨粉转印到感光鼓901表面的未带电部分以使墨粉图像显影。该墨粉图像然后到达转印充电器911。

进纸托盘906中存储多张记录纸张913作为转印目标。接近进纸托盘906布置进纸辊907。进纸辊907一个接一个地从进纸托盘906取出记录纸张913并将它们传送到配准辊对908。接近转印充电器911布置配准辊对908。当感光鼓901旋转时，配准辊对908临时支撑进纸辊907拉出的每一记录纸张913并将其传送到感光鼓901和转印充电器911之间的缝隙处。

将与施加到感光鼓901的电压的极性相反的电压施加到转印充电器911，以使得将感光鼓901表面的墨粉电吸引至记录纸张913。从而，将感光鼓901表面上墨粉图像转印到记录纸张913。然后将具有墨粉图像的记录纸张913传送到定影辊909。

定影辊909对记录纸张913加热和加压，从而在记录纸张913上定影墨粉图像。然后通过放纸辊912将记录纸张913传送到放纸托盘910并将其堆叠在放纸托盘910上。

清洁刮片905将残留墨粉从感光鼓901表面除去。将除去的残留墨粉重复使用于进一步的处理。然后感光鼓901返回原始位置以由充电器902对其再次充电。

参考附图2和3，下面给出扫描单元900的说明。

扫描单元900包括光源14、耦合透镜15、孔板16、歪像透镜17(下文称作“图像形成透镜17”)、反射镜18、作为光偏转器的多面镜13、用于旋转多面镜13的多面型电机、第一扫描透镜11a及第二扫描透镜11b。将图2的垂直方向看做主扫描方向，而将图2的水平方向看做副扫描方向。

如图4所示的例子，光源14包括二维阵列100，在该二维阵列100中在一个基板上布置40个发光元件101。该二维阵列100包括4排发光元件101，每一排包括沿着主扫描方向(以下称为“方向Dir_main”)和副扫描方向(以下称为“方向Dir_sub”)之间的倾斜角α(以下称为“方向T”)平均间隔的10个发光元件101。另一方面，在方向Dir_sub上布置4排发光元件101，并且4排发光元件101彼此平均间隔。这样，沿着方向T和方向Dir_sub二维地布置40个发光元件101。如图3所示，将最上排的发光元件101称为第一排。将邻近第一排的一排发光元件101称为第二排。类似地，将邻近第二排并在第二排之下的一排发光元件101称为第三排。将最下排的发光元件101称为第四排。

作为例子，将在方向Dir_sub上相邻各排发光元件101之间的距离(图4中的“d”)设置为44.0微米，而将方向T上每一排的发光元件101之间的距离(图4中的“X”)设置为30.0微米。将正投影在朝方向Dir_sub上延伸的虚拟线上的发光元件101之间的距离(图4中的“c”)设置为4.4微米。

通过在图4所示的二维阵列100中的每一个发光元件101的位置指示每一个发光元件101。将第一排最左边的发光元件101称为第1发光元件，而将第一排最右边的发光元件101称为第10发光元件。将第二排最左边的发光元件101称为第11发光元件，而将第二排最右边的发光元件101称为第20发光元件。将第三排最左边的发光元件101称为第21发光元件，而将第三排最右边的发光元件101称为第30发光元件。将第四排最左边的发光元件101称为第31发光元件，而将第四排最右边的发光元件101称为第40发光元件。

每一个发光元件101是780奈米(nm)带(band)的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。作为图5所示的例子，将例如下部反射镜112、第一间隔层113、激活(active)层114、第二间隔层115、上部反射镜117及p-接触层118等多个半导体层堆叠在n-GaAs基板111上。将该种堆叠在一起的半导体层结构称为多层结构。图6是激活层114周围的部分多层结构的放大示图。

下部反射镜112包括40.5对由n-Al_0.9Ga_0.1As制成的低折射率层112a和由n-Al_0.3Ga_0.7As制成的高折射率层112b。低折射率层112a和高折射率层112b二者都具有λ/4的光学厚度，这里λ是振荡波长。在低折射率层112a和高折射率层112b之间布置用于促进两层之间的材料成分逐渐转变的成分转换层(未示出)，以减少低折射率层112a和高折射率层112b之间的电阻。

第一间隔层113由Al_0.9Ga_0.4As制成。

如图6所示，激活层114包括由Al_0.12Ga_0.88As制成的量子阱层114a和由Al_0.3Ga_0.7As制成的势垒壁层114b。

第二间隔层115由Al_0.9Ga_0.4As制成。

将第一间隔层113、激活层114及第二间隔层115合起来称为共振器结构，该共振器结构具有等于一个振荡波长(振荡波长λ＝780nm)的光学厚度(参考图6)。

上部反射镜117包括24对由p-Al_0.9Ga_0.1As制成的低折射率层117a和由p-Al_0.3Ga_0.7As制成的高折射率层117b。低折射率层117a和高折射率层117b二者都具有λ/4的光学厚度。在低折射率层112a和高折射率层112b之间布置成分转换层(未示出)以减少电阻。

在上部反射镜117中，离共振器结构λ/4远处，布置由AlAs制成的选择氧化层116。

下面给出制造二维阵列100的方法的简短说明：

(1)通过例如金属有机物化学气相淀积(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法等晶体生长机理制造多层结构。

(2)通过使用干法刻蚀方法在每一个发光元件101的***上形成突出部以使该突出部与台面(台面部分)类似。在图5中，示出该突出部的底面渗入下部反射镜112中。然而，只要该突出部的底面比选择氧化层116深，则底面渗入下部反射镜112中就是不必需的。从而，选择氧化层116出现在突出部的侧壁上。建议维持台面部分的直径等于或大于10微米。如果直径太小，则在发光时热量积累，这可能有害地影响发光性能。另外，建议维持突出部的宽度等于或大于5微米。如果突出部宽度太小，则控制刻蚀过程变得困难。

(3)对其上形成突出部的多层结构进行蒸汽热处理，并且选择性氧化突出部中选择氧化层116的***以形成Al_xO_y的绝缘体层。由于选择性的氧化，因此选择氧化层116的非氧化的AlAs区仍然位于台面部分的中心部分。因此，将相应的发光元件101的驱动电流的路径限制于仅在台面部分的中心部分，从而形成电流窄化结构。

(4)除了布置上部电极103和光发射器102的区域之外，在台面部分上布置具有例如150nm厚度的SiO₂保护层120。另外，在突出部周围填充聚酰亚胺119以使每一个发光元件101的多层结构变平。

(5)除了布置光发射器102的区域之外，在p-接触层118上布置上部电极103。还在多层结构周围带接键合点(未示出)。通过引线(未示出)将上部电极103连接至键合点。

(6)在多层结构的后表面布置下部电极(n-侧公共电极)110。

(7)将多层结构切割成多个芯片。

参考附图7，下面给出扫描单元900的部件之间位置关系的说明。

在由光源14发射的光束的光路上并在距光源14例如39.305毫米的光路长度(图7中的“d1”)上布置耦合透镜15。耦合透镜15的焦距例如是42.0毫米(图7中的“d2”)。耦合透镜15提供实质上是平行光的光束。

耦合透镜15的两个表面具有由下面给出的方程式(1)表示的非弧型。在方程式(1)中，“x”表示轴向的深度，“h”表示距光轴的距离，“R”表示近轴曲率半径，“k”表示二次曲线常数，“A₄”“A₆”“A₈”“A₁₀”等表示系数.。

x = \frac{\frac{h^{2}}{R}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) \cdot {(\frac{h}{R})}^{2}}} + A_{4} \cdot h^{4} + A_{6} \cdot h^{6} + A_{8} \cdot h^{8} + A_{10} \cdot h^{10} - - - (1)

例如，面向光源14的耦合透镜15的表面(第一表面)具有R＝∞，而耦合透镜15的其它表面(第二表面)具有R＝-21.519毫米。设置“R”、“k”及“A₄”“A₆”“A₈”“A₁₀”等的值以校正波阵面像差。

通过由铝(Al)制成的支持材料支持光源14和耦合透镜15。在光源14和耦合透镜15之间布置具有1.5112的折射率和0.3毫米的厚度的保护镜片(未示出)。

在由耦合透镜15发出的平行光的光路上，在耦合透镜15和图像形成透镜17之间并在距耦合透镜15的第二表面例如13.8毫米的光路长度处布置孔板16。即，在耦合透镜15和耦合透镜15的后焦距位置之间布置孔板16。孔板16限定平行光的直径。

如图8所示，孔板16的孔16a在Dir_main方向具有例如5.6毫米的长度并且在Dir_sub方向具有例如1.3毫米的宽度。

在由孔16a的大小限定直径的平行光的光路上，在孔板16和反射镜18之间并在距耦合透镜15的第二表面79.3毫米的光路长度(图7中的“d3”)处布置图像形成透镜17。图像形成透镜17的厚度例如是3.0毫米(图7中的“d4”)。图像形成透镜17在Dir_sub方向上并接近多面镜13的反射表面处由平行光形成图像，这是由反射镜18向多面镜13反射而形成。

面向孔板16的图像形成透镜17表面(第一表面)是圆柱形表面并且在Dir_sub方向上是屈光度透镜。在Dir_sub方向的圆柱形表面的曲率半径例如是26.9毫米。图像形成透镜17的其它表面(第二表面)是平的表面。

在Dir_sub方向的图像形成透镜17的焦距例如是53毫米，该焦距小于图像形成透镜17和孔板16之间的光路长度(例如，65.5毫米)。

当在多面镜13和第一扫描透镜11a(参考图2)之间布置隔音玻璃21时，在图像形成透镜17和多面镜13之间布置隔音玻璃(未示出)。

将布置在光源14和多面镜13之间的光路上的光学***称为耦合光学***，该***包括耦合透镜15、孔板16、图像形成透镜17及反射镜18。

多面镜13例如是具有内接圆半径等于7毫米的四表面镜。每一个表面作为反射表面。多面镜13围绕平行于Dir_sub方向的旋转轴以恒定速度旋转。在旋转轴和图像形成透镜17的第二表面之间的光路长度例如是51.8mm的位置布置多面镜13。

在被多面镜13偏转的光束的光路上布置第一扫描透镜11a。在多面镜13的旋转轴和面向多面镜13的第一扫描透镜11a表面(入射表面)之间的光路长度例如是46.3毫米(图7中的“d6”)的位置布置第一扫描透镜11a。

如下面给出的表1所示的例子，第一扫描透镜11a包括具有在Dir_main方向上-120毫米的近轴曲率半径和在Dir_sub方向上-500毫米的近轴曲率半径的入射表面，以及具有在Dir_main方向上-59.28毫米的近轴曲率半径和在Dir_sub方向上-600毫米的近轴曲率半径的输出平面。沿着光轴的第一扫描透镜11a的厚度例如是13.5毫米(图7中的“d7”)。

表1

	入射表面	输出表面
			Dir_main方向上的近轴曲率半径	-120	-59.28
Dir_sub方向上的近轴曲率半径	-500	-600

在从第一扫描透镜11a的输出表面输出的光束的光路上、并且在第一扫描透镜11a的输出表面和面向第一扫描透镜11a的第二扫描透镜11b表面(入射表面)之间的光路长度例如是89.7毫米(图7中的“d8”)的位置，布置第二扫描透镜11b。如下面给出的表2所示的例子，第二扫描透镜11b包括具有在Dir_main方向上∞的近轴曲率半径和在Dir_sub方向上522毫米的近轴曲率半径的入射平面，以及具有在Dir_main方向上540.6毫米的近轴曲率半径和在Dir_sub方向上-40.75毫米的近轴曲率半径的输出平面。沿着光轴的第二扫描透镜11b的厚度例如是3.5毫米(图7中的“d9”)。

表2

	入射表面	输出表面
			Dir_main方向上的近轴曲率半径	∞	540.6
Dir_sub方向上的近轴曲率半径	522	-40.75

第一扫描透镜11a的第二扫描透镜11b中的每一个表面是具有由上述方程式(1)限定的非弧型的非球面表面。平行于光轴方向和Dir_sub方向的虚拟横截面(以下称为“副扫描横截面”)中的如上述确定形状的每一个表面的曲率根据下面给出的方程式(2)向Dir_main方向改变。在方程式(2)中，“Y”表示在Dir_main方向上距光轴的距离，“R_s”表示在Dir_sub方向上的近轴曲率半径，“B₁”“B₂”“B₃”等表示系数。

Cs (Y) = \frac{1}{R_{s}} + B_{1} \cdot Y + B_{2} \cdot Y^{2} + B_{3} \cdot Y^{3} + B_{4} \cdot Y^{4} + B_{5} \cdot Y^{5} + B_{6} \cdot Y^{6} - - - (2)

下面在表3中给出第一扫描透镜11a的入射表面的二次曲线常数和每一个系数的值。

表3

K	0	B₁	0
				A₄	8.885×10^-7	B₂	0
A₆	-2.629×10^-10	B₃	0
				A₈	2.1846×10^-14	B₄	0
A₁₀	1.368×10^-17	B₅	0
				A₁₂	-3.135×10^-21	B₆	0
		B₇	0
						B₈	0

下面在表4中给出第一扫描透镜11a的输出表面的二次曲线常数和每一个系数的值。

表4

K	0	B₁	-1.594×10^-6
				A₄	9.2240×10^-7	B₂	-4.332×10^-6
A₆	6.7782×10^-11	B₃	4.9819×10^-9
				A₈	-4.1124×10^-14	B₄	-2.8594×10^-9
A₁₀	1.3727×10^-17	B₅	-2.667×10^-12
				A₁₂	2.609×10^-21	B₆	2.8778×10^-13
		B₇	-1.916×10^-15
						B₈	2.0423×10^-15
		B₉	1.0141×10^-18
						B₁₀	-6.729×10^-19

下面在表5中给出第二扫描透镜11b的入射表面的二次曲线常数和每一个系数的值。

表5

K	0	B₁	0
				A₄	3.286×10^-7	B₂	-1.1328×10^-6
A₆	-7.085×10^-11	B₃	2.60612×10^-10
				A₈	6.269×10^-15	B₄	7.8961×10^-11
A₁₀	-2.7316×10^-19	B₅	-5.027×10^-14
				A₁₂	4.739×10^-24	B₆	1.4051×10^-14
		B₇	4.5538×10^-18
						B₈	-2.0140×10^-18
		B₉	-1.546×10^-22
						B₁₀	7.4893×10^-23

下面在表6中给出第二扫描透镜11b的输出表面的二次曲线常数和每一个系数的值。

表6

K	0	B₁	0
				A₄	1.2779×10^-7	B₂	2.311×10^-7
A₆	-4.629×10^-11	B₃	0
				A₈	4.049×10^-15	B₄	0
A₁₀	-1.659×10^-19	B₅	0
				A₁₂	2.585×10^-24	B₆	0
		B₇	0
						B₈	0

将在多面镜13和感光鼓901之间的光路上布置的光学***称为扫描光学***，该***包括第一扫描透镜11a和第二扫描透镜11b。

在第二扫描透镜11b的输出表面和感光鼓901之间的光路长度例如是142.5毫米的位置(图7中的“d10”)设置感光鼓901。在第二扫描透镜11b和感光鼓901之间布置具有1.5112的折射率和1.9毫米的厚度的防尘玻璃22(参考图2)。

感光鼓901表面部分的长度例如是323毫米，在其上扫描是可能的，即在Dir_main方向上写入图像是可能的。

在耦合光学***和扫描光学***中，在Dir_main方向上的横向放大率是5.7倍，而在Dir_sub方向上的横向放大率是1.2倍。即，在Dir_main方向上的横向放大率的绝对值大于在Dir_sub方向上的横向放大率的绝对值。作为结果，扫描线距离变窄从而提高图像分辨率。扫描单元900中的扫描线距离例如是5.3微米。因此，可以获得例如每英寸4800点(dpi)的分辨率。

同时，即使在二维阵列中布置大量的发光元件，根据发光元件的位置误差或形状误差，副扫描光束间隔仍然可能偏离预定的光束间隔。必须维持稳定的副扫描光束间隔以防止图像质量恶化。

为了获得稳定的副扫描光束间隔，将邻近的光束(入射在在副扫描方向上具有屈光度透镜的扫描透镜上)之间的距离变窄以使对于目标表面光束的入射角变得更小。作为结果，无论发光元件中的位置误差或形状误差如何，都可以减少副扫描光束间隔的偏离。

图9是由第1发光元件发出的光束的光路(ch1)和由第40发光元件发出的光束的光路(ch40)的曲线图。在图9中，“P105”表示耦合透镜15的位置，“P106”表示孔板16的位置，“P107”表示图像形成透镜17的位置，“P103”表示多面镜13的位置，“P101a”表示第一扫描透镜11a的位置，“P101b”表示第二扫描透镜11b的位置，“P910”表示感光鼓901的位置。

在图9中，将在Dir_sub方向上的图像形成透镜17的焦距(fs)设置为等于或小于图像形成透镜17和孔板16之间的光路长度(L1)。作为结果，可以防止Dir_sub方向上的图像形成透镜17输出的邻近光束的相互增宽，即，可以获得稳定的副扫描光束间隔。随后，对于感光鼓901的光束的入射角变得更小。从而，无论发光元件101中的位置误差或形状误差如何，都可以减少副扫描光束间隔的偏离。另外，由于在Dir_sub方向上的光束完全地通过第一扫描透镜11a和第二扫描透镜11b的光轴的邻近处，因此扫描单元900的整体光学性能也提高了。

作为与图9所示曲线图的比较，图10是当将fs设置为大于L1时ch1和ch40的曲线图。如图10所示，光束ch1和光束ch40在Dir_sub方向上逐渐变宽。作为结果，根据发光元件101中的位置误差或形状误差，副扫描光束间隔的偏离发生变化。

图11是描述根据感光鼓901上的图像高度，在Dir_sub方向和Dir_main方向上的光束的直径(光束直径)的表格。如图11所示，Dir_sub方向上的光束直径小于Dir_main方向上的光束直径。光束直径是光强的最大值的1/e²。

图12是传统孔板16’的示意图，传统孔板16’包括具有在Dir_main方向上5.6mm宽度(Wm)和在Dir_sub方向上0.8mm宽度(Ws)的传统的孔16b。图13是描述当使用传统孔板16’代替孔板16时，根据感光鼓901上的图像高度，在Dir_main方向上和Dir_sub方向上的光束直径。如图13所示，Dir_main方向上的光束直径小于Dir_sub方向上的光束直径。

从而，确定当使用孔板16时Dir_sub方向上的光束直径较小。这导致图像的间隔尺寸改善，从而减少图像的粗糙感。因此，可以输出具有高分辨率的图像。由于孔板16的Ws值是传统孔板16’的1.6倍，因此，扫描单元900的光使用效率提高了60％。

同时，如果在与光轴垂直的方向，将二维阵列100的中心与孔板16的中心准直，则形成二维阵列100最外层的发光元件101(即，参考附图4，从第1到第10、从第31到第40、第11、第21、第20及第30)发出的光束的中心与孔板16的中心不匹配。因此，最外层的发光元件101发出的光束的光使用效率比布置在二维阵列100中部的发光元件101的光束更差。这可能造成图像的密度不均匀。为了避免该问题，可以将最外层的发光元件101配置为比剩余的发光元件101发出更多数量的光。

如上所述，扫描单元900包括具有多个面发射激光器(即，发光元件101)的光源、多面镜13、耦合光学***及扫描光学***。耦合光学***包括布置光源14发出的光束的光路上在光源14和多面镜13之间的耦合透镜15、孔板16、图像形成透镜17及反射镜18。多面镜13接收由图像形成透镜17形成的图像的光束并通过扫描光学***将该光束偏转到感光鼓901。将Dir_sub方向上图像形成透镜17的焦距设置为等于或小于图像形成透镜17和孔板16之间的光路长度。作为结果，可以获得稳定的副扫描光束间隔。

另外，在耦合光学***中，将Dir_main方向上的横向放大率的绝对值设置为大于Dir_sub方向上的横向放大率的绝对值。而且，在感光鼓901的表面上，将Dir_sub方向上的光束直径设置为等于或小于Dir_main方向上的光束直径，但是大于扫描线距离。作为结果，扫描单元900的光束数量的损失比传统扫描单元小的多。作为结果，进行光束整形依此提高扫描单元900的光使用效率是有可能。

如图14A和14B所示，垂直VCSEL发出的光束的光轴的横截面形成基本上的圆形。因此，如果Dir_main方向上的孔的宽度与Dir_sub方向上的孔的宽度彼此大不相同，则光束数量达不到处理高速成像需要的数量。

为了解决该问题，在感光鼓901的表面上将Dir_main方向上的光束直径设置为大于Dir_sub方向上的光束直径。因此，减少了Dir_main方向上的孔16a的宽度和Dir_sub方向上的孔16a的宽度之间的差别从而提高了耦合效率(即，发光元件发出的光功率与从孔输出的光功率的比率)。

另外，光源14实施的多光束技术能够高分辨率和高速的成像。在该情况，由于扫描线距离减少，将Dir_sub方向上的光束直径设置为大于扫描线距离是可能的。作为结果，在Dir_sub方向上没有留下间隙从而均匀地填满整个图像。

通常，在实施多光束技术的扫描单元中，可以使用两种方法提高Dir_sub方向上的图像分辨率：(1)减少Dir_sub方向上的横向放大率；(2)减少Dir_sub方向上的发光元件之间的距离。然而，在第一种方法中，由于需要减少Dir_sub方向上的孔宽度以减少目标表面上的光束直径，因此光束数量达不到要求的数量。在第二种方法中，发光元件发出的光互相干扰，并且确保用于连接每一个发光元件的足够空间也很困难。

如上所述，光源14中的二维阵列100在Dir_sub方向上包括4排发光元件101，每一排包括沿着倾斜角α的方向，即，在Dir_main方向和Dir_sub方向之间沿着方向T平均隔开的10个发光元件101。当在Dir_sub方向延伸的虚拟线上正投影时，任意两个邻近发光元件101之间的距离是相等的。在这种配置中，在Dir_main方向上相互布置发光元件101，这不影响Dir_sub方向上图像的高分辨率。因此，即使在减少Dir_sub方向上发光元件101之间的距离之后，光束也不互相干扰并且可以确保足够空间的用于连接。

另外，将耦合透镜15的焦距设置为大于耦合透镜15和孔板16之间的光路长度，从而减少从光源14到感光鼓901的总光路长度。即，在耦合透镜15和耦合透镜15的后焦距位置之间布置孔板16。该种配置与在耦合透镜的后焦距位置上布置孔板的传统配置不同。

如上所述，激光打印机500包括可以获得稳定的副扫描光束间隔的扫描单元900。从而，激光打印机500可以进行高质量和高速的图像形成处理。

代替孔板16，可以使用具有在Dir_main方向上更小宽度的孔板。在该情况，需要根据孔板的更小宽度重新调整耦合透镜15的焦距。

另外，每一个发光元件101的台面部分不需要是圆形，可以是椭圆形、正方形或矩形。

如上所述，二维阵列100包括4排发光元件101，每一排包括10个发光元件101。然而，只要在单排中发光元件101的数量大于总排数，则不限制发光元件101的数量和排数。

如上所述，将在Dir_sub方向延伸的虚拟线上正投影(orthographicallyprojected)的发光元件101之间的距离(图4中的“c”)设置为4.4毫米。然而，该距离并非限制于4.4毫米，可以改变该距离。

另外，如上所述，将Dir_sub方向上发光元件101的邻近排之间的距离(图4中的“d”)设置为44.0毫米，而将方向T上每排发光元件101中的发光元件101之间的距离(图4中的“X”)设置为30.0毫米。然而，这些距离并非限制于这些值，可以改变这些距离。

另外，如图15到18所示，可以使用二维阵列200代替二维阵列100。二维阵列200包括是VCSEL的多个发光元件201。每一个发光元件201包括堆叠在一起的多个半导体层。某些半导体层由与二维阵列100中的半导体层的材料不同的材料制成。更具体地，二维阵列200分别包括第一间隔层213、激活层214、第二间隔层215，代替二维阵列100中的第一间隔层113、激活层114、第二间隔层115。

第一间隔层213由宽带隙半导体材料(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P制成。

如图17所示，激活层214包括由GaInPAs制成的量子阱层214a和由Ga_0.6In_0.4P制成的势垒壁层214b。量子阱层214a具有有780nm带隙波长的3层压缩应变结构，而势垒壁层214b具有4层的拉伸应变结构。

第二间隔层115由宽带隙半导体材料(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P制成。

将第一间隔层213、激活层214及第二间隔层215合起来称为共振器结构，该共振器结构具有等于一个振荡波长的光学厚度(参考图17)。

由于二维阵列200的层由AlGaInP材料***制成，因此相比二维阵列100的多层结构，可维持间隔层(即第一间隔层213和第二间隔层215)和激活层214之间的更宽的带隙。

图18是描述当使用具有不同材料成分的多层结构的VCSEL时不同带隙的表格。如图18所示，使用包括由AlGaAs/AlGaAs材料***制成的间隔层和量子阱层的780nm带的VCSEL(以下称为“VCSEL-A”)、包括由AlGaInP/GaInPAs材料***制成的间隔层和量子阱层的780nm带的VCSEL(以下称为“VCSEL-B”)及包括由AlGaAs/GaAs材料***制成的间隔层和量子阱层的850nm带的VCSEL(以下称为“VCSEL-C”)，以比较各个间隔层和激活层之间以及各个势垒壁层和量子阱层之间的带隙。VCSEL-A相应于发光元件101，而具有X＝0.7的VCSEL-B相应于发光元件201。

在VCSEL-B的情况，可以维持比在VCSEL-A的情况和在VCSEL-C的情况更宽的带隙。更具体地，VCSEL-B中的间隔层和量子阱层之间的带隙是767.3毫电子伏，其大于VCSEL-A中465.9毫电子伏的带隙和VCSEL-C中602.6毫电子伏的带隙。相似地，VCSEL-B中的势垒壁层和量子阱层之间的带隙是463.3毫电子伏，其大于VCSEL-A中228.8毫电子伏的带隙和VCSEL-C中365.5毫电子伏的带隙。从而，在VCSEL-B的情况可以获得更好的载波限制。

另外，由于每一个发光元件201中的量子阱层214a具有压缩应变结构，因此，由于在重空穴和轻空穴之间的带分离从而可以获得更高的增益。作为结果，可以以低阈值获得高的光输出。而且，还可以减少上部反射镜117(参考图16)的反射程度以进一步增强光输出。由于较高的增益，可以防止光输出由于温度的上升而恶化。从而，有可能在二维阵列200中布置相互接近的发光元件201。

由于量子阱层214a和势垒壁层214b不包含铝(Al)，因此激活层214较少氧化，从而抑制不发光再结合中心(non-emitting recombination center)的形成。作为结果，可以提高发光元件201的耐用性。

如果在光学写入设备中，使用具有较差耐用性的二维阵列的VCSEL，则需要在使用之后处理光学写入设备。然而，由于二维阵列200包括耐用的发光元件201，所以可以多次重复使用光学设备，从而节约资源并减少环境负担。任何其它的光设备通过使用该二维阵列200可以获得上述优点。

如上所述，由每一个发光元件101或201发出的光的振荡波长是780nm。然而，该振荡波长并非限制于780nm并且可以根据感光鼓901的感光度特性进行调整。在该情况，需要根据振荡波长改变发光元件101或201的材料成分或多层结构。

同时，VCSEL输出的光的数量小于边射型激光器输出的光的数量。因此，必须提高VCSEL的光使用效率。如图19A和19B所示，边射型激光器中光束的偏振方向平行于激活层AL的方向。为了提高使用边射型激光器的扫描单元的光使用效率，将主扫描方向设置为垂直于激活层AL以使得发散角增大。因此，偏振方向变得与副扫描方向一致。另一方面，VCSEL发出的光束形成实质上的圆形。因此，在使用二维阵列的VCSEL的扫描单元的情况下，可以布置该二维阵列使得偏振方向和主扫描方向之间的角度大于偏振方向和副扫描方向之间的角度。该种布置帮助提高通过隔音玻璃、扫描透镜及防尘玻璃的透射率而不改变光束直径。该种布置对使用隔音玻璃和防尘玻璃的光学扫描***尤其有效。另外，在使用回射器的情况，还可以提高回射器的反射率。

图20是描述各种光学元件在靠近光源侧(参考图2的顶部)和对于最接近的图像高度的光使用效率的表格。给出了当偏振方向与主扫描方向一致及当偏振方向与副扫描方向一致时光使用效率的数量。如图20所示，当偏振方向与主扫描方向一致时，除了多面镜，光学元件的光使用效率较佳。

在以上说明中，将图像形成设备看作是激光打印机500。然而，任何包括扫描单元900的任何其它图像形成设备都可以进行高质量和高速的图像形成处理。

在彩色图像形成设备的情况下，可以使用适于彩色图像形成设备的扫描单元以获得高质量和高速的成像。

另外，如图21所示，图像形成设备还可以是串联式彩色图像形成设备，其包括多个感光鼓及相应于每一个感光鼓的一系列部件，每一个感光鼓相应于单个颜色形成色调图像。更具体地，图21所示的串联式彩色图像形成设备包括用于形成黑色色调图像的感光鼓K1、用于形成青色色调图像的感光鼓C1、用于形成绛红色色调图像的感光鼓M1以及用于形成黄色色调图像的感光鼓Y1。相应于感光鼓K1的一系列部件包括充电器K2、显影器K4、清洁部件K5及用于转印的充电部件K6。类似地，相应于感光鼓C1的一系列部件包括充电器C2、显影器C4、清洁部件C5及用于转印的充电部件C6。相应于感光鼓M1的一系列部件包括充电器M2、显影器M4、清洁部件M5及用于转印的充电部件M6。相应于感光鼓Y1的一系列部件包括充电器Y2、显影器Y4、清洁部件Y5及用于转印的充电部件Y6。此外，串联式彩色图像形成设备还包括扫描单元900、传送带80及定影部件30。

在该情况，将光源14中的发光元件101分为4组，每一组朝着感光鼓K1、C1、M1及Y1中的一个发光。可选择地，可以相应于感光鼓K1、C1、M1及Y1中的每一个，布置4个单元的二维阵列100(或二维阵列200)。此外，可以相应于感光鼓K1、C1、M1及Y1中的每一个，布置4个单元的扫描单元900。

如图21所示，感光鼓K1、C1、M1及Y1中的每一个按顺时针方向旋转。沿着相应感光鼓(K1、C1、M1及Y1)的旋转方向顺序布置充电器(K2、C2、M2及Y2)、显影器(K4、C4、M4及Y4)、清洁部件(K5、C5、M5及Y5)及用于转印的充电部件(K6、C6、M6及Y6)。充电器(K2、C2、M2及Y2)均匀地向相应感光鼓(K1、C1、M1及Y1)的表面充电。将感光鼓(K1、C1、M1及Y1)的带电表面暴露于从扫描单元900发出的光以在感光鼓(K1、C1、M1及Y1)的表面形成潜像。显影器(K4、C4、M4及Y4)使相应的潜像显影以形成相应颜色(黑色、青色、绛红色及黄色)的色调图像。用于转印的充电部件(K6、C6、M6及Y6)在记录纸上转印相应的单色彩的色调图像，从而叠加全部的4种色调图像以形成全色的色调图像。最后，定影部件30将全色的色调图像定影在记录纸上。

有时，色差出现在由串联式彩色图像形成设备形成的图像中。然而，通过使用包括二维阵列100的高密度发光元件101(VCSEL)的扫描单元900，可以选择性地接通发光元件101以准确地校正色差。

同时，还可以使用包括作为图像载体的卤化银胶卷的图像形成设备。在该情况，通过光学扫描在卤化银胶卷上形成潜像。可以通过在卤化银摄影中进行的通常的显影处理使潜像显影。可以作为光刻制板设备或光学平板刻法设备实施该种图像形成设备以绘制计算的计算机体层(CT)扫描图像。

此外，还可以使用包括作为图像载体的彩色显影媒介(例如，正极性照相纸)的图像形成设备，其通过聚束光的热能使色彩显影。在该情况，可以通过光学扫描直接在图像载体上使图像显影。

尽管参照用于彻底和清楚地公开的特定实施例已经对本发明进行了说明，但是所附权利要求并非限制于此，而是包括属于本文阐明的基本思想并对本领域技术人员可能出现的所有修改和替换结构。

Claims

1.一种扫描单元，其通过使用光通量扫描扫描目标表面，所述扫描单元包括：

光源，其具有多个面发射激光器，每一个激光器发出光束；

耦合透镜，其接收来自光源的光束并使光束成为实质地平行光；

孔，其接收所述平行光并限定所述平行光的直径，从而获得限定直径的平行光；

图像形成透镜，其接收所述限定直径的平行光并在副扫描方向上形成图像；以及

光偏转器，其布置于接近图像形成透镜的焦点处，并接收图像的光束且将光束偏转以扫描目标表面；其中

副扫描方向上图像形成透镜的焦距等于或小于图像形成透镜和孔之间的光路长度，

所述耦合透镜的焦距大于所述耦合透镜和所述孔之间的光路长度。

2.根据权利要求1所述的扫描单元，其中

主扫描方向上的横向放大率的绝对值大于副扫描方向上的横向放大率的绝对值；以及

副扫描方向上的光束直径等于或小于主扫描方向上的光束直径，但是大于相邻的扫描线之间的距离。

3.根据权利要求1所述的扫描单元，其中

所述每一个面发射激光器发出线偏振光束；

线偏振光束的偏振方向和主扫描方向之间的角度大于偏振方向和副扫描方向之间的角度。

4.根据权利要求1所述的扫描单元，其中

以二维阵列布置所述面发射激光器，使得沿着副扫描方向布置M个所述面发射激光器，并沿着主扫描方向和副扫描方向之间倾斜角α的方向布置N个所述面发射激光器，其中，M≥2，N＞M；以及

当正投影在副扫描方向上延伸的虚拟线上时，相邻发光元件之间的距离相等。

5.根据权利要求4所述的扫描单元，其中，

所述二维阵列中最外层的发光元件中的至少一个比剩余的发光元件发出更多数量的光。

6.一种图像形成设备，包括：

至少一个单元的图像载体；以及

至少一个单元的根据权利要求1的扫描单元，该扫描单元使用具有图像信息的多个光束扫描图像载体。

7.根据权利要求6所述的图像形成设备，其中，所述图像信息是用于形成彩色图像的彩色图像信息。