CN1388385A - 光学元件、具有它的扫描光学***及图象形成设备 - Google Patents

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Abstract

光学元件具有一个形成于至少一个光学表面上的微结构格栅。在该光学元件中,该微结构格栅是从以下配置中形成的,该配置用于调整由于光束的入射角从中心部分移至边界部分的变化而造成的透射光量的变化。

Description

光学元件、具有它的扫描光学***及图象形成设备
发明背景
发明领域
本发明涉及一种表现入射角变化的光学元件及一种具有该光学元件的扫描光学***。本发明适用于一种图象形成设备例如激光打印机或数字复印设备，这些图象形成设备具有例如一个电照相过程，使用一个光偏转器(偏转装置)把来自光源装置的发射光束偏转及使用一个扫描光学装置对一个扫描目标表面进行光学扫描而记录图象信息，其中该扫描光学装置包括一个具有f-θ特性和一个形成于其上的微结构格栅的光学元件。
相关技术
在传统扫描光学***例如激光打印机(LBP)中，一束根据图象信号进行光学调制并且从一个光源装置发射的光束被一个由例如一个多面体镜所形成的光偏转器周期地偏转，以及该光束被聚焦于一个光敏记录媒质表面上的一点上，并且被一个具有f-θ特性的图象光学***进行光学扫描。
图13是主扫描方向内传统扫描光学***的剖面图(主扫描剖面)。
参照图13，一个光源装置91由一个例如半导体激光器等所形成。一个准直透镜92将一束从光源装置91发射的发散光束转换为一个几乎平行的光束。一个小孔快门93将通过其内的光束限制而形成为光束形状。一个圆柱形透镜94只在辅扫描方向内具有预定功能，将通过小孔快门93的光束形成为在辅扫描剖面内光偏转器95(以下将描述)的偏转表面(反射表面)95a上的一个近似线图象。
用作偏转装置的光偏转器95是由一个例如具有四面体配置的多面体镜(旋转多面体镜)所形成的。该光偏转器95由一个驱动装置(未示出)所转动，例如由一个马达以恒速在由图13中箭头A所标示的方向内转动。
一个扫描透镜***96用作一个具有聚焦功能和f-θ特性的扫描光学装置，并且由第一和第二扫描透镜96a和96b所组成。扫描透镜***96根据图象信息而形成光束，该光束由光偏转器95反射/偏转为一个用作扫描目标表面的感光鼓面97上的一个图象，并且具有一个光学面紊乱误差校正功能，能够使光偏转器95的偏转表面95a与感光鼓面97在辅扫描剖面内具有共轭关系。
参照图13，从半导体激光器91发射的发散光束被准直透镜92转换为一个几乎平行光束，以及该光束(光量)被小孔快门93所限制。所得光束被入射于圆柱形透镜94上。对于入射于圆柱形透镜94上的几乎平行光束而言，该光束在主扫描剖面内没有任何变化。该光束在辅扫描剖面内被聚焦和大体上形成为光偏转器95的偏转表面95a上的一个线图象(在主扫描剖面内伸长)。被光偏转器95的偏转表面95a所反射/偏转的光束通过第一和第二扫描透镜96a和96b被形成为感光鼓面97上的一个光点。此光束然后由光偏转器95在箭头A所标示的方向内的恒速转动在感光鼓面97上的箭头B所标示的方向内(主扫描方向)进行扫描。由于此操作，在作为记录媒质的感光鼓面97上记录一个图象。
然而以上所述传统扫描光学***具有以下问题。
近来，扫描光学***的扫描光学装置(扫描透镜***)一般由塑料材料制成，它允许容易地形成一个非球形形状和易于制造。然而要在塑料透镜的透镜表面上形成一层防反射敷层在技术上是困难的和成本高的。其结果是，在每个光学表面上出现菲涅尔(Fresne1)反射。
图14是一个用于解释当一束P偏振光束入射于例如一个具有折射率n＝1.524的树脂光学部件上时角度与反射率和透射率的依赖关系。如图14中所示，每个光学表面上的表面反射随着入射角的增加而增加。
因此第一个问题是一个没有防反射敷层的透镜表面上的表面反射光被其他光学表面所反射，并且最后到达一个扫描目标表面而产生叠影。如果一个或两个更为靠近光偏转器的扫描透镜具有一个凹透镜面以及入射于其上的光束是几乎垂直的，则在此透镜表面上的菲涅尔反射光回至该光偏转器并且被该光偏转器的偏转表面(反射表面)所反射。此反射光通过扫描光学装置并且到达扫描目标表面而成为叠影。
第二个问题是由于当入射于扫描光学装置上的光束从一个光轴上位置(扫描中心)移至一个光轴外位置(扫描边界)时，该光束的入射角通常变化，每个光学表面上的菲涅尔反射变化很大，从而在光轴上位置与光轴外位置之间产生光量差别。
图15是一个用于显示当一束P偏振光束入射于图13中的扫描光学装置上时每个表面上的透射率。如图14中所示，由于随着入射角的增加而反射率减小(透射率增加)，当光束从光轴上位置移至光束外位置时整个***的透射率增加。也即，扫描目标表面上的亮度分布也从光轴上位置向着光轴外位置增加。
根据图15的曲线，最外的光轴外位置处的光量比光轴上位置处的光量大5％。其结果是，来自图象形成设备的图象输出具有中心位置与边界位置之间的密度差别。
有一种尝试，试图通过调整放置于扫描光学装置上的衍射光栅的衍射效率来解决此问题，如日本专利申请公开号2000-206445中所述。更具体地，形成一个具有所需间距和所需功率分布的格栅，以便实现放大色差校正或聚焦校正，以及该衍射光栅表面的格栅高度(深度)被合适地设置为改变衍射光(一阶衍射光)的衍射效率，以便用于光轴上位置和光轴外位置，从而消除在其他折射表面上透射率的变化。
然而，在此方法中，由于准备使用的衍射光的衍射效率下降，另一阶的衍射光(也称为不需要的衍射光)增加。除非使用一个遮光壁等将光束遮去，否则该增加的另一阶的衍射光到达扫描目标表面后成为光斑从而使图象变坏。
发明概要
本发明的一个目的是提供一个光学元件，它能够在光束的入射角变化时容易地调整透射光量，并且适用于一个图象形成设备例如具有一个电照相过程的激光打印机或数字复印机，本发明提供一个具有该光学元件的扫描光学***。
本发明的另一个目的是提供一个光学元件，它能够减少透镜表面上的导致光斑或叠影的菲涅尔反射而不增加任何步骤例如敷层步骤，并且能够使扫描表面上的光量分布均匀，本发明提供一个具有该光学元件的扫描光学***。
本发明的又一个目的是提供一个光学元件，它能够使图象表面上的广大面积内的亮度分布几乎均匀，本发明提供一个使用该光学元件的光学***。
本发明的还有一个目的是提供一个光学元件，它具有一个形成于至少一个光学表面上的微结构格栅(lattice)，其中该微结构格栅是从以下配置中形成的，该配置用于采集由于光束的入射角从中心部分移至边界部分的变化而造成的透射光量的变化。
在本发明中，该微结构格栅最好是一个零阶格栅。
在本发明中，该光学表面最好是一个透镜表面、折射面或镜面，并且包括一个平面或曲面。
在本发明中，该微结构格栅最好与一个在其上形成光学表面的基底形成为一个整体。
在本发明中，该用于采集透射光量变化的配置最好是基于该微结构格栅的格栅间距、格栅深度和格栅常数中的至少一个。
在本发明中，该微结构格栅所用材料最好是一种透明树脂或玻璃材料。
本发明的又一个目的是提供一个包括以上所述光学元件中的任何一个的光学***。
本发明的又一个目的是提供一种扫描光学***，它使用偏转装置将从光源装置发射的光束偏转，使用扫描光学装置将由偏转装置偏转的光束引导至一个扫描表面上，以及扫描该扫描表面，其中该扫描光学装置包括一个具有一个形成于至少一个光学表面上的微结构格栅的光学元件，及该微结构格栅是从以下配置中形成的，该配置用于采集由于入射于光学元件上的光束的入射角从光轴上位置移至光轴外位置而造成的透射光量的变化。
在本发明中，在其上形成微结构格栅的光学表面最好是扫描光学装置的光学表面的一个表面，它具有由于视场角的变化而引起入射角的最大变化。
在本发明中，该微结构格栅最好被配置为使透射光总量自在其上提供微结构格栅的光学表面的扫描中心至扫描边界的变化方向与透射光总量自在其上没有提供微结构格栅的光学表面的扫描中心至扫描边界的变化方向相反。
在本发明中，该微结构格栅最好被形成于扫描光学装置的所有光学表面上。
在本发明中，该微结构格栅最好是一个零阶格栅。
在本发明中，除在其上形成微结构格栅的表面以外的每个光学表面都由一个折射表面或/和反射表面形成，以及透射过扫描光学装置的光束总量的变化是基于一个透射率或/和一个反射率的，其中该透射率是当光束的入射角从折射表面上的扫描中心移至扫描边界时所产生的，及该反射率是当光束的入射角从反射表面上的扫描中心移至扫描边界时所产生的。
在本发明中，设θ为扫描角，Id(θ)为当扫描角为θ时透射过微结构格栅的光总量，以及It(θ)为当扫描角为θ时透射过除在其上形成微结构格栅的光学表面以外的一个光学表面上的光总量，优选地在所有扫描角内都满足0.8＜(Id(θ)×It(θ))/(Id(0)×It(0))＜1.2。
本发明的又一个目的是提供一种扫描光学***，使用偏转装置将从光源装置发射的光束偏转，使用扫描光学装置将由偏转装置偏转的光束引导至一个扫描表面上，以及扫描该扫描表面，其中该扫描光学装置包括一个具有一个形成于至少一个光学表面上的微结构格栅的光学元件，同时满足Py＜λ/(Ns+Ni·sinθi)，其中Py是离中心的距离为y的位置处的格栅间距，在该处到达扫描表面上的预定图象高度的光束通过该微结构格栅，λ是来自光源装置的光束波长，θi是位置y处的光束入射角，Ni是在微结构格栅的入射侧的媒质的折射率，及Ns是在微结构格栅的出射侧的媒质的折射率。
在本发明中，为减少扫描表面上的扫描中心与扫描边界之间的光量差别，优选地根据到达预定图象高度的光束通过微结构格栅的位置处的入射角来为该微结构格栅确定格栅间距、格栅深度和格栅常数中的至少一个。
在本发明中，当光束入射于微结构格栅上的最大入射角被设置为θymax时，确定格栅间距为Pymax，在给定P＜Pymax的情况下，优选地形成具有间距P的微结构格栅。
在本发明中，优选地根据到达预定图象高度的光束通过微结构格栅位置处的入射角来在该微结构格栅上的扫描中心和扫描边界处改变格栅间距、格栅深度和格栅常数中的至少一个。
在本发明中，在其上形成微结构格栅的光学表面最好是扫描光学装置的各光学表面中的一个表面，它具有由于视场角的变化而引起入射角的最大变化。
在本发明中，该微结构格栅最好被配置为使透射光总量自在其上提供微结构格栅的光学表面的扫描中心至扫描边界的变化方向与透射光总量自在其上没有提供微结构格栅的光学表面的扫描中心至扫描边界的变化方向相反。
在本发明中，该微结构格栅最好被形成于扫描光学装置的所有光学表面上。
在本发明中，该微结构格栅最好被形成于一个光学表面上，该光学表面是一个球面、非球面、旋转非对称曲面或衍射面。
在本发明中，该微结构格栅最好被形成于一个平光学表面上。
在本发明中，该微结构格栅的材料最好是一种透明树脂或玻璃材料。
本发明的又一个目的是提供一种图象形成设备，它包括以上所述扫描光学***中的任何一个，一个放置于扫描表面上的光敏部件，一个用于将一个静电潜象显影的显影设备、该静电显影由一个被扫描光学***扫描的光束在光敏部件上形成为一个上色图象，一个用于将显影的上色图象转印于转印材料上的转印设备，及一个用于将转印的上色图象定影于转印材料上的定影设备。
本发明的又一个目的是提供一个图象形成设备，它包括以上所述扫描光学***中的任何一个，及一个用于将自一个外部设备输入的代码数据转换为一个图象信号并且将该图象信号输入至该扫描光学***的打印机控制器。
在本发明中，优选的是，当准备入射于微结构格栅上的光束的入射角被设为θ及透射过该微结构格栅的光量被设为Is(θ)时，优选地满足
0.9＜Is(θ)/Is(0)＜1.1。
附图的简要描述
图1是主扫描方向内本发明第一实施例的剖面图；
图2是用于显示本发明第一实施例中的微结构格栅的视图；
图3是用于显示本发明第一实施例中的格栅间距与入射角之间关系的曲线；
图4是用于显示本发明第一实施例中的透射率与入射角之间关系的曲线；
图5是用于显示本发明第一实施例中的图象高度与透射率之间关系的曲线；
图6是主扫描方向内本发明第二实施例的剖面图；
图7是用于显示本发明第二实施例中的格栅常数与透射率之间关系的曲线；
图8是用于显示本发明第二实施例中的图象高度与透射率之间关系的曲线；
图9是主扫描方向内本发明第三实施例的剖面图；
图10是用于显示本发明第三实施例中的格栅深度与透射率之间关系的曲线；
图11是用于显示本发明第三实施例中的图象高度与透射率之间关系的曲线；
图12是辅扫描方向内根据本发明的一个使用扫描光学***的图象形成设备(电照相打印机)的配置的剖面图；
图13是主扫描方向内一个传统扫描光学***的剖面图；
图14是用于解释入射角与P偏振的反射率和透射率的依赖关系的曲线；及
图15是用于显示传统扫描光学***的图象高度与透射率之间关系的曲线。
优选实施例的详细描述
(第一实施例)
一个根据本发明的光学元件是一个具有形成于至少一个光学表面上的微结构格栅的光学元件。该微结构格栅被设计为用于调整由于光束的入射角从中心部分移至边界部分时发生变化而造成的透射光量的变化。
本发明的光学元件能够被应用于不同光学***，例如一个照相***、投影***和图象形成***，其中入射角从该元件的中心部分移至边界部分时发生变化。
以下参照图1至5描述第一实施例，其中本发明的光学元件应用于一个扫描光学***。图1是根据本发明第一实施例的在主扫描方向内的扫描光学***的主要部分的剖面图(主扫描剖面图)。
在此说明书中，在其中由偏转装置将一束光束反射/偏转(偏转/扫描)的方向被定义为主扫描方向，以及垂直于扫描光学装置的光轴和主扫描方向的方向被定义为辅扫描方向。
参照图1，一个光源装置1由例如一个半导体激光器所形成。一个准直透镜2将由光源装置1发射的发散光束转换为一个大体上平行的光束。一个小孔快门3限制通过其中的光束并且将它形成为一个光束形状。一个圆柱形透镜4只在辅扫描方向内具有预定功能，同时将已经通过小孔快门3的光束形成为在辅扫描剖面内光偏转器5(以下将描述)的偏转表面(反射表面)5a上的一个近似线图象。
用作偏转装置的该光偏转器5是由一个例如具有四面体配置的多面体镜(旋转多面体镜)所形成的。该光偏转器5由一个驱动装置(未示出)所转动，例如由一个马达以恒速在由图1中箭头A所标示的方向内转动。
一个扫描透镜***6用作一个具有聚焦功能和f-θ特性的扫描光学装置，并且由使用塑料材料做成的第一和第二扫描透镜6a和6b所组成。扫描透镜***6根据图象信息形成光束，该光束由光偏转器5反射/偏转为一个用作扫描目标表面的感光鼓面7上的一个图象，并且具有一个光学面紊乱误差校正功能，能够使光偏转器5的偏转表面5a与感光鼓面7在辅扫描剖面内具有共轭关系。
注意到，来自光源装置1的光束可以直接入射于光偏转器5上而不使用以上所述光学元件2、3和4。
此实施例中的第一和第二扫描透镜6a和6b的透镜表面中的每一个具有一个曲面，即图1中所示主扫描剖面内的一个球面或非球面，并且还具有一个用作基本形状的已知特定非球面，它在垂直于主扫描剖面的辅扫描剖面内从光轴上位置(扫描中心)移至光轴外位置(扫描边界)时其曲率发生变化。在此实施例中，由一种透明树脂或玻璃材料(以后将描述)制成的微结构格栅8全部形成于第一扫描透镜6a的入射面6a1和出射面6a2上及第二扫描透镜6b的入射面6b1和出射面6b2上。
在此实施例中，从半导体激光器1发射的发散光束被准直透镜2转换为大体上平行光束。此光束(光量)被小孔快门3所限制并且入射于圆柱形透镜4上。对于入射于圆柱形透镜4上的大体上平行光束而言，在主扫描剖面内的光束没有任何变化。该光束在辅扫描剖面内被聚焦和大体上形成为光偏转器5的偏转表面5a上的一个线图象(在主扫描剖面内伸长)。被光偏转器5的偏转表面5a所反射/偏转的光束通过第一和第二扫描透镜6a和6b被形成为感光鼓面7上的一个光点。此光束然后由光偏转器5在箭头A所标示的方向内的恒速转动在感光鼓面7上的箭头B所标示的方向内(主扫描方向)进行扫描。由于此操作，在作为记录媒质的感光鼓面7上记录一个图象。
在此实施例中，用作光源的半导体激光器1被如此放置以便促使准备入射的光成为扫描透镜***6上的几乎P偏振光。也即，半导体激光器1被如此放置以便使其横向模式几乎平行于感光鼓面7。
在此实施例中，如上所述，该扫描光学装置6的第一扫描透镜6a的入射面6a1和出射面6a2及第二扫描透镜6b的入射面6b1和出射面6b2具有用作基本形状的特定非球面形状。图2中所示微结构格栅8全部形成于这些面上。这有可能任意地控制透射率和恰当地调整扫描目标表面7上的亮度分布。
在此实施例中，该微结构格栅8可以形成于一个给定的(具有最高入射角依赖关系的)对扫描目标表面7上的亮度分布影响最大的光学表面上。此外，一个或多个微结构格栅可以被形成以便使扫描目标表面7上的亮度分布均匀。该微结构格栅8可以形成于一个球面、非球面、旋转非对称曲面、衍射面、镜面或平面上。
如图2中所示，该微结构格栅8具有一个重复结构，其中成对的格栅部分81和非格栅部分82被排列在一维方向(主扫描方向)内。设P为格栅间距，它等于格栅部分81和非格栅部分82的一个周期长度，及F为一个格栅常数，排列方向内格栅部分81的长度L决定于L＝F×P。设D为格栅深度。注意到，微结构格栅8可以与一个在其上形成一个光学表面的基底(玻璃基底或透明树脂基底)形成为整体。
为微结构格栅8选择一个能够满足所谓零阶格栅的条件的格栅间距P。该微结构格栅8被称为SWS(亚波结构)，它具有一般衍射光栅的格栅间距的1/10至1/100，并且被设计为使用于没有衍射效应的零阶光。
零阶格栅是用于在周期微结构格栅中除零阶光以外不产生衍射光的格栅(见Optical Society of America Vol.11，No.10/October1994/J.Opt.Soc.Am.A，p.2965)。
在周期微结构格栅中，通常在满足以下衍射条件表达式的衍射角处产生衍射光：
P(Ns·sinθm-Ni·sinθi)＝mλ    …(1)
其中P是格栅间距，Ni是入射侧(微结构格栅的媒质的)折射率，θi是入射角，θm是m阶衍射角，Ns是光入射侧(微结构格栅的媒质的)折射率，m是衍射阶，及λ是运行波长。从条件表达式(1)显然易见，衍射角是θm≥θ1(m＝1)。按照美国光学学会的意见，在正常入射的情况下，不产生+1阶衍射光的条件被定义为
θ+1≥90°                          …(2)
因此，
P＜λ/(Ns+Ni·sinθi)               …(3)
是零阶格栅的一个条件。
注意到，在光轴外位置的最外处θ+1变为90°或更大，因此格栅间距P变为较小间距Pa。当入射角不是0°时，必须进一步减小格栅间距P。
在此实施例中，设Py为离微结构格栅中心的距离为y的位置处的格栅间距，通过该处的光束在感光鼓面7上达到一个预定图象高度，λ为来自光源装置1的光束的波长，θi为位置y处的光束的入射角，Ni为入射侧微结构格栅8的媒质的折射率，以及Ns为出射侧微结构格栅8的媒质的折射率。
Py＜λ/(Ns+Ni·sinθi)                    …(4)
图3是当(一个透镜材料的)折射率n＝1.524和运行波长λ＝780nm时，用于显示格栅间距P如何随着入射角θi变化的曲线。此曲线显示满足零阶格栅条件的最大间距；低于此间距的情况下除零阶光以外没有衍射光。从曲线明显看出，如果当入射角θi为零时即在正常入射的情况下，微结构格栅的格栅间距P是0.5μm，则该格栅的特性犹如一个零阶格栅。然而，如果入射角是45°，当微结构格栅的格栅间距P为0.5μm时就不满足零阶格栅的条件。显然，当入射角是45°时，零阶格栅的格栅间距P必须小于0.35μm。
在根据本实施例的扫描光学***中，在扫描透镜***6的每个透镜表面即第一扫描透镜6a的入射面6a1和出射面6a2及第二扫描透镜6b的入射面6b1和出射面6b2上位置y处确定一束入射光束的入射角θi。因此，满足零阶格栅条件的最大间距能够在每个透镜表面的每个位置处被确定。
更具体地，设Pymax为当一束光束以最大入射角θymax入射于微结构格栅8上时被确定的最大间距，该微结构格栅8能够被形成于以下给定的格栅间距P：
P＜Pymax                             …(5)
因此，如果最大入射角θymax＝45°，则由于Pymax≌0.35μm，可以将一个等于或小于Pymax的间距设置为格栅间距P。
以下将描述以上所述格栅常数F。已知当其中每一个都比分子足够大的光学上各向同性物质元素被有规律地排列为其中每个都小于光波长的各颗粒时，出现一种结构上双折射效应。根据“光学原理iii”(Principle of Optics iii)，TOKAI UNIVERSITY PRESS，p.1030，一个在格栅的排列方向内具有矩形剖面的所谓矩形格栅能够被模型化为格栅部分81、非格栅部分82和平行板的组合。
从此模型中明显看出，沿着两条轴即格栅排列方向和垂直于格栅排列的方向能够获得不同折射率，包括格栅常数F和格栅部分81和非格栅部分82的折射率。因此，如果确定所用激光器的格栅排列方向和偏振方向，则能够确定格栅常数F。
假设在此实施例中形成一个微结构格栅以使格栅排列方向与光束偏振方向重合，即格栅的每个槽与光束的偏振方向垂直。如上所述，光束的偏振方向与P偏振(平行于图1的画面的方向)重合。为避免结构上双折射的影响，格栅排列方向可以做成平行于或垂直于光束的偏振方向。
在此实施例中，将微结构格栅优化以便无论入射角如何都减少零阶光P偏振的透射率的变化。其结果是，当每个扫描透镜的材料的运行波长λ＝780nm和折射率n＝1.524时，该微结构格栅的形状被定义为格栅间距P＝0.3μm，格栅常数F＝0.65，和格栅深度D＝0.16μm。图4显示相对于此格栅形状的入射角，P偏振的透射特性。在图4中，当准备入射于微结构格栅的光束的入射角被设为θ及透射过微结构格栅表面上的光量被设为Is(θ)时，
Is(θ＝0)＝99.86％；
Is(θ＝30)＝99.99％；
Is(θ＝45)＝99.81％；及
不等式0.9＜Is(θ)/Is(0)＜1.1得到满足。
此微结构格栅8被形成于每个光学表面上，即第一扫描透镜6a的入射面6a1和出射面6a2上及第二扫描透镜6b的入射面6b1和出射面6b2上。图5显示此配置中的每个光学表面的透射率与整个***的透射率。
如图5中所示，形成于扫描透镜装置6的每个光学表面上的微结构格栅8能够很大地减少由于入射角从一个光轴上位置(扫描中心)移至一个光轴外位置(扫描边界)而造成的透射光量的变化。这有可能减少整个扫描透镜装置6中的透射光量的变化，并且能够使扫描目标表面7上的光量分布几乎均匀。
在此实施例中，根据到达预定图象高度的光束通过微结构格栅以便减少每个光学表面上光轴上位置(扫描中心)与光轴外位置(扫描边界)之间的透射光量差别的位置处的入射角来确定格栅间距、格栅深度和格栅常数。这有可能提供一个能够保持扫描目标表面7上的光量分布几乎均匀并且输出好图象的扫描光学***。
注意到，格栅间距、格栅深度和格栅常数中的至少一个因子被确定，目的也就差不多能够达到。
在此实施例中，第一和第二扫描透镜6a和6b中的每一个透镜表面在主扫描剖面内具有一个球面或非球面表面，同时还具有一个用作基本形状的已知特定非球面，在辅扫描剖面内从光轴上位置移至光轴外位置时其曲率发生变化。然而，只要每个透镜是所谓f-θ透镜，具有用于将偏振光束形成为扫描目标表面7上的一个光点并且以恒速将它扫描的功能(f-θ特性)，本发明可不限于此形状。在此实施例中，光源装置1由一个单束激光器组成。然而本发明不限于此。例如，可以使用组合或多束光源，它是通过一个光束合并装置等将单芯片多束成具有多个发射光部分的单束激光器的光路加以合并而形成的。
在此实施例中，半导体激光器1被如此放置以使准备入射的光束成为扫描透镜装置6上的几乎P偏振光。然而本发明不限于此。例如，这一光束可入射为S偏振光或者可以设置一个任意偏振方向。此外，能够根据入射于扫描透镜装置6上的光束的偏振方向将微结构格栅8的形状优化。
在此实施例中，通过将矩形剖面排列于一个一维方向内而获得格栅形状的例子已经给出。然而本发明不限于此。可以使用三角形、梯形或波状剖面并且将它们不但排列于一维方向内而且也排列于二维方向内，从而优化此形状。
一种用于在注模中形成微结构格栅形状和模压出微结构格栅的技术，被用于在一个透镜表面上形成微结构格栅的方法，
在此实施例中，扫描透镜装置6包括两个透镜。然而本发明不限于此。例如，此装置能够由单个或三个或更多个透镜组成。
(第二实施例)
图6是主扫描方向内本发明第二实施例的主要部分的剖面(主扫描剖面)图。图1中相同参考数字标示图6中相同部件。
此实施例与第一实施例不同之处在于微结构格栅8只形成于扫描光学装置16的第一透镜16a的入射面16a1上。其他配置和光学效应与第一实施例中的相同，因此获得与第一实施例相同的效应。
参照图6，扫描透镜***16用作一个具有聚焦功能和f-θ特性的扫描光学装置。该扫描光学装置16由两个扫描透镜组成，即由塑料材料做成的第一和第二透镜16a和16b。扫描透镜装置16根据图象信息形成光束，该光束由光偏转器5反射/偏转为一个用作扫描目标表面的感光鼓面7上的一个图象，并且具有一个光学面紊乱误差校正功能，能够使光偏转器5的偏转表面5a与感光鼓面7在辅扫描剖面内具有共轭关系。
此实施例中的第一和第二扫描透镜16a和16b的透镜表面中的每一个具有一个曲面，即图6中所示主扫描剖面内的一个球面或非球面，并且还具有一个用作基本形状的已知特定非球面，它在辅扫描剖面内从光轴上位置(扫描中心)移至光轴外位置(扫描边界)时其曲率发生变化。
在此实施例中，如上所述，微结构格栅8只形成于扫描光学装置16的第一透镜16a的入射面16a1上。
此实施例中的微结构格栅形状被如下设置，其运行波长λ＝780nm和折射率n＝1.524。
由于第一实施例中所述相同理由，格栅间距P被设为P＝0.3μm。此外，如同第一实施例，格栅深度被设为D＝0.16μm。
格栅常数F如下设置。图7显示在入射角为θi＝0°、30°和45°时通过检查微结构格栅8的格栅常数F与透射过零阶格栅的光量之间的关系而获得的结果。根据此结果，如果确定入射角θi，则能够通过合适地设置格栅常数F而获得一个任意的透射率。
在根据此实施例的扫描光学***中，在扫描光学装置16的第一透镜16a的入射面16a1的透镜表面上位置y处确定光束的入射角θi。如果根据此结果确定透射过第一透镜16a的入射面16a1的光量(透射率)，则这已足够使在任意图象高度处透射过扫描光学装置16的总光量几乎不变。也即，能够对应于入射角θi来优化格栅常数F以便在第一透镜16a的入射面16a1上的位置y处设置所需透射率。
换言之，能够根据到达预定图象高度的光束通过微结构格栅8的位置处的入射角来设置微结构格栅8上的光轴上位置(扫描中心)和光轴外位置(扫描边界)处的不同格栅常数F，从而设置一个优化透射率。
图8显示根据以上所述过程进行优化所获得的结果。图8显示每个光学表面和整个***的透射率，这些光学表面包括第一透镜16a的入射面16a1和出射面16a2及扫描透镜16b的入射面16b1和出射面16b2。
从图8中明显看出，设θ为对应于任意图象高度的偏转光束的扫描角，Id(θ)为当扫描角为θ时透射过扫描光学装置16的第一透镜16a的入射面16a1上的微结构格栅的光量，以及It(θ)为当扫描角为θ时透射过除在其上形成微结构格栅8的光学表面以外的其他相应光学表面的光总量，这些光学表面即第一透镜16a的出射面16a2及扫描透镜16b的入射面16b1和出射面16b2，在该扫描角内满足以下不等式：
0.8＜(Id(θ)×It(θ))/(Id(0)×It(0))＜1.2…(6)
能够进行设置以使扫描光学装置16的微结构格栅8上的入射角从光轴上位置(扫描中心)变为光轴外位置(扫描边界)时造成的透射光量的变化与在除其上形成微结构格栅的光学表面以外的每个光学表面上的入射角从光轴上位置变为光轴外位置时造成的总透射光量的变化互相抵消，从而保持扫描目标表面7上的亮度分布几乎均匀。这就有可能提供一个能够输出好图象的扫描光学***。
注意到，透射过扫描光学装置16的总光量的变化是由于光束的入射角从折射表面上的扫描中心变为扫描边界而产生透射率的变化。
如上所述，在此实施例中，使微结构格栅8的防反射功能的视场角特性与在除其上形成微结构格栅8的光学表面以外的每个光学表面上从光轴上位置变为光轴外位置时透射率的变化所造成的视场角特性互相抵消，从而保持扫描目标表面7上的亮度分布几乎均匀。
在此实施例中，微结构格栅8被设于扫描光学装置16的第一透镜16a的入射面16a1上。然而本发明不限于此。微结构格栅可以如以下实施例中所示，被设于另一个光学表面上，或者微结构格栅可以被设于多个光学表面上。
(第三实施例)
图9是用于显示主扫描方向内本发明第三实施例的主要部分的剖面图(主扫描剖面)。图1中相同参考数字标示图9中相同部件。
此实施例与第一实施例不同之处在于微结构格栅8只形成于扫描光学装置26的第二透镜26b的入射面26b1上，以及一个光路折弯镜9被放置于第二透镜26b与扫描目标表面7之间。其他配置和光学效应与第一实施例中的相同，因此获得与第一实施例相同的效应。
参照图9，扫描透镜***26用作一个具有聚焦功能和f-θ特性的扫描光学装置。该扫描光学装置26由两个扫描透镜形成，即由塑料材料做成的第一和第二透镜26a和26b。扫描透镜装置16根据图象信息形成光束，该光束由光偏转器5反射/偏转为一个用作扫描目标表面的感光鼓面7上的一个图象，并且具有一个光学面紊乱误差校正功能，能够使光偏转器5的偏转表面5a与感光鼓面7在辅扫描剖面内具有共轭关系。
在此实施例中，第一和第二扫描透镜26a和26b的透镜表面中的每一个具有一个曲面，即图9中所示主扫描剖面内的一个球面或非球面，并且还具有一个用作基本形状的已知特定非球面，它在辅扫描剖面内从光轴上位置(扫描中心)移至光轴外位置(扫描边界)时其曲率发生变化。
在此实施例中，如上所述，微结构格栅8只形成于扫描光学装置26的第二透镜26b的入射面26b1上。
此实施例中的微结构格栅形状被如下设置，其运行波长λ＝780nm和折射率n＝1.524。
由于第一实施例中所述相同理由，格栅间距P被设为P＝0.3μm。此外，如同第一实施例，格栅常数被设为F＝0.65。
格栅深度D如下设置。图11显示在入射角为θi＝0°、30°和45°时通过检查微结构格栅8的格栅深度D与透射过零阶格栅的光量之间的关系而获得的结果。根据此结果，如果确定入射角θi，则能够通过合适地设置格栅深度D而获得一个任意的透射率。
在根据此实施例的扫描光学***中，在扫描光学装置26的第二透镜26b的入射面26b1的透镜表面上位置y处确定光束的入射角θi。如果根据此结果确定透射过第二透镜26b的入射面26b1的光量(透射率)，则这已足够使在任意图象高度处透射过扫描光学装置26的总光量几乎不变。也即，能够对应于入射角θi来优化格栅深度D以便在第二透镜26b的入射面26b1上的位置y处设置所需透射率。
换言之，能够根据到达预定图象高度的光束通过微结构格栅8的位置处的入射角来设置微结构格栅8上的光轴上位置(扫描中心)和光轴外位置(扫描边界)处的不同格栅深度D，从而设置一个优化透射率。
图11显示根据以上所述过程进行优化所获得的结果。图11显示每个光学表面的透射率，这些光学表面包括第一透镜26a的入射面26a1和出射面26a2及扫描透镜26b的入射面26b1和出射面26b2，图11还显示光路折弯镜9的光学表面的反射率和整个***的透射率。
从图11中可明显看出，设θ为对应于任意图象高度的偏转光束的扫描角，Id(θ)为当扫描角为θ时透射过扫描光学装置26的第二透镜26b的入射面26b1上的微结构格栅8的光量，以及It(θ)为当扫描角为θ时的总透射光量，它是根据除在其上形成微结构格栅8的光学表面以外的其他相应光学表面的透射率和光路折弯镜9的反射面的反。射率计算而得，这些光学表面即第一透镜26a的入射面26a1和出射面26a2及第二透镜26b的出射面26b2，在该扫描角内满足以下不等式：
0.8＜(Id(θ)×It(θ))/(Id(0)×It(0))＜1.2…(6)
能够进行设置以使扫描光学装置26的微结构格栅8上的入射角从光轴上位置(扫描中心)变为光轴外位置(扫描边界)时造成的透射光量的变化与在除其上形成微结构格栅的光学表面以外的每个光学表面上的入射角从光轴上位置变为光轴外位置时造成的总透射光量的变化互相抵消，从而保持扫描目标表面7上的亮度分布几乎均匀。这就有可能提供一个能够输出好图象的扫描光学***。
在以上扫描光学装置26中，透射过扫描光学装置26的总光量的变化是由于光束的入射角从折射表面上的扫描中心变为扫描边界而产生透射率的变化以及由于光束的入射角从反射表面上的扫描中心变为扫描边界而产生反射率的变化。
此外，在此实施例中，微结构格栅8被设于扫描光学装置26的第二透镜26b的入射面26b1上。然而本发明不限于此。微结构格栅可以被设于一个具有平的衍射面或反射面的光路折弯镜的光学表面上，或者微结构格栅可以被设于多个光学表面上。
在第二和第三实施例中，根据到达预定图象高度的光束通过微结构格栅8处的入射角来设置微结构格栅8上的光轴上位置(扫描中心)与光轴外位置(扫描边界)处的不同格栅常数F或格栅深度D，从而优化透射率。然而本发明不限于此。例如，可以将格栅间距P、格栅深度D和格栅常数F一起设置。
(图象形成设备)
图12是用于显示辅扫描剖面内一个图象形成设备(电照相打印机)的主要部分的剖面图，它使用根据以上所述第一、第二和第三实施例的扫描光学***。参照图12，一个图象形成设备104从一个外部设备117例如个人计算机接收代码数据Dc。这些代码数据Dc被该设备中的打印机控制器111转换为图象数据(点数据)Di。这些图象数据Di被输入至一个具有第一、第二和第三实施例中的每一个所示例的配置的光学扫描单元100。一个根据图象数据Di调制的光束103从光学扫描单元(扫描光学***)100中发射出。该感光鼓面101的光敏表面由此光束103在主扫描方向内进行扫描。
用作静电潜象携带部件的感光鼓101由一个马达115顺时针旋转。在此旋转下，感光鼓101的光敏表面在垂直于主扫描方向的辅扫描方向内移动。一个电荷滚轴102被放置于感光鼓101的表面上以便接触其表面而将其均匀地充电。由电荷滚轴102充电的感光鼓101的表面被由光学扫描单元100所扫描的光束103照射。
如上所述，该光束103根据图象数据Di而被调制。通过将光束103照射于感光鼓101的表面上，在该表面上形成一个静电潜象。此静电潜象被一个显影设备107显影为一个上色图象，该显影设备107被放置于光束103照射位置下行处感光鼓101的旋转剖面内以便与感光鼓101接触。
由显影设备107显影的上色图象被一个转印滚轴(转印设备)108转印于一张用作转印部件的纸张112上。该纸张112被存于感光鼓101(图12中的右侧)前面的存纸盒109内。然而纸张也能被手动地馈送。一个位于存纸盒109末端部分处的拾纸滚轴110将纸张112从存纸盒109中送至传送路径中。
以上述方式，在其上转印了该未定影上色图象的纸张112被传送至一个位于感光鼓101后面(图12中的左侧)的定影设备。该定影设备由一个定影滚轴113所组成，该定影滚轴113包括一个定影加热器(未示出)和一个被放置以便与定影滚轴113接触的压迫滚轴114。该定影设备在将从转印单元传送来的纸张112压迫于定影滚轴113与压迫滚轴114的压迫部分之间的同时将该纸张112加热，从而将纸张112上的未定影上色图象进行定影。此外，该定影图象纸张112被一个位于定影滚轴113后面的纸张送出滚轴116从图象形成设备中送出。
虽然未示出于图12中，打印机控制器111对包括马达115和光学扫描单元100中的多面体马达在内的图象形成设备中的相应单元还有以上所述数据转换都进行控制。
根据本发明，如上所述，该光学元件具有的微结构格栅被设计为用于调整由于光束的入射角从中心部分移至边界部分时发生变化而造成的透射光量的变化，该光学元件被应用于扫描光学***以便实施一个光学元件和一个具有该光学元件的扫描光学***，该光学元件能够在光束的入射角变化时容易地调整透射的光量。
此外，根据本发明，能够实施一个光学元件和一个具有该光学元件的光学***，该光学元件能够减少透镜表面上的导致光班或叠影的菲涅尔反射而不增加任何步骤例如敷层步骤，从而使扫描目标表面上的光量分布均匀。
此外，根据本发明，如上所述，能够实施一个光学元件和一个使用该光学元件的光学***，该光学元件能够使图象表面上的广大面积内的亮度分布几乎均匀。

Claims (29)

1.一种具有形成于至少一个光学表面上的一种微结构格栅的光学元件，
其中所述微结构格栅是从以下配置形成的，即所述配置用于采集由于光束的入射角从一个中心部分移向一个边界部分的变化而造成的透射光量的变化。
2.根据权利要求1的光学元件，其中所述微结构格栅是一种零阶格栅。
3.根据权利要求1的光学元件，其中所述光学表面是一个透镜表面、衍射面或镜面，并且包括一个平面或曲面。
4.根据权利要求1的光学元件，其中所述微结构格栅与一个在其上形成光学表面的基底形成为一个整体。
5.根据权利要求1的光学元件，其中所述用于采集透射光量变化的配置是基于所述微结构格栅的格栅间距、格栅深度和格栅常数中的至少一个。
6.根据权利要求1的光学元件，其中所述微结构格栅所用材料是一种透明树脂或玻璃材料。
7.一种包括根据权利要求1至6中的任何一项的所述光学元件的光学***。
8.一种扫描光学***，用于利用偏转装置使从光源装置发射的光束偏转、利用扫描光学装置将由所述偏转装置偏转的光束引导至一个扫描表面上、并扫描该扫描表面，
其中所述扫描光学装置包括一个具有一个形成于至少一个光学表面上的微结构格栅的光学元件，及所述微结构格栅是从以下配置形成的，即所述配置用于采集由于入射于所述光学元件上的光束的入射角从光轴上位置移向光轴外位置而造成的透射光量的变化。
9.根据权利要求8的扫描光学***，其中在其上形成所述微结构格栅的光学表面是所述扫描光学装置的光学表面的一个表面，它具有由于视场角的变化而引起入射角的最大变化。
10.根据权利要求8的扫描光学***，其中所述微结构格栅被配置为使透射光总量自在其上提供所述微结构格栅的光学表面的扫描中心至扫描边界的变化方向与透射光总量自在其上没有提供所述微结构格栅的光学表面的扫描中心至扫描边界的变化方向相反。
11.根据权利要求8的扫描光学***，其中所述微结构格栅被形成于所述扫描光学装置的所有光学表面上。
12.根据权利要求8的扫描光学***，其中所述微结构格栅是一个零阶格栅。
13.根据权利要求8的扫描光学***，其中除在其上形成所述微结构格栅的表面以外的每个光学表面都由一个折射表面或/和反射表面形成，以及透射过所述扫描光学装置的光束总量的变化是基于一个透射率或/和一个反射率的，其中所述透射率是当光束的入射角从折射表面上的扫描中心移至扫描边界时所产生的，及所述反射率是当光束的入射角从反射表面上的扫描中心移至扫描边界时所产生的。
14.根据权利要求8的扫描光学***，其中设θ为扫描角，Id(θ)为当扫描角为θ时透射过所述微结构格栅的光总量，以及It(θ)为当扫描角为θ时透射过除在其上形成所述微结构格栅的光学表面以外的一个光学表面上的光总量，在所有扫描角内都满足
0.8＜(Id(θ)×It(θ))/(Id(0)×It(0))＜1.2。
15.一种扫描光学***，使用偏转装置使从光源装置发射的光束偏转，使用扫描光学装置将由所述偏转装置偏转的光束引导至一个扫描表面上，以及扫描该扫描表面，
其中所述扫描光学装置包括一个具有一个形成于至少一个光学表面上的微结构格栅的光学元件，及满足
Py＜λ/(Ns+Ni·sinθi)，
其中Py是离中心距离为y的位置处的格栅间距，在所述位置处到达扫描表面上的预定图象高度的光束通过所述微结构格栅，λ是来自光源装置的光束波长，θi是位置y处的光束入射角，Ni是在所述微结构格栅的入射侧的媒质的折射率，及Ns是在所述微结构格栅的出射侧的媒质的折射率。
16.根据权利要求15的扫描光学***，其中为减少扫描表面上的扫描中心与扫描边界之间的光量差别，根据到达预定图象高度的光束通过所述微结构格栅位置处的入射角来为所述微结构格栅确定格栅间距、格栅深度和格栅常数中的至少一个。
17.根据权利要求15的扫描光学***，其中设Pymax为当入射于所述微结构格栅上的光束的最大入射角被设置为θymax时被确定的格栅间距，在给定P＜Pymax的情况下形成具有间距P的所述微结构格栅。
18.根据权利要求15的扫描光学***，其中根据到达预定图象高度的光束通过所述微结构格栅位置处的入射角来在所述微结构格栅上的扫描中心和扫描边界处改变格栅间距、格栅深度和格栅常数中的至少一个。
19.根据权利要求15的扫描光学***，其中在其上形成所述微结构格栅的光学表面是所述扫描光学装置的各光学表面中的一个表面，它具有由于视场角的变化而引起入射角的最大变化。
20.根据权利要求15的扫描光学***，其中所述微结构格栅被配置为使透射光总量自在其上提供所述微结构格栅的光学表面的扫描中心至扫描边界的变化方向与透射光总量自在其上没有提供所述微结构格栅的光学表面的扫描中心至扫描边界的变化方向相反。
21.根据权利要求15的扫描光学***，其中所述微结构格栅被形成于所述扫描光学装置的所有光学表面上。
22.根据权利要求15的扫描光学***，其中所述微结构格栅被形成于一个光学表面上，所述光学表面是一个球面、非球面、旋转非对称曲面或衍射面。
23.根据权利要求15的扫描光学***，其中所述微结构格栅被形成于一个平光学表面上。
24.根据权利要求15的扫描光学***，其中所述微结构格栅的材料是一种透明树脂或玻璃材料。
25.一种图象形成设备，包括根据权利要求8至24中的任何一项的所述扫描光学***，一个放置于扫描表面上的光敏部件，一个用于将一个静电潜象显影的显影设备、所述静电显影由一个被所述扫描光学***扫描的光束在所述光敏部件上形成为一个上色图象，一个用于将显影的上色图象转印于转印材料上的转印设备，及一个用于将转印的上色图象定影于转印材料上的定影设备。
26.一种图象形成设备，包括根据权利要求8至24中的任何一项的所述扫描光学***，及一个用于将自一个外部设备输入的代码数据转换为一个图象信号并且将图象信号输入至所述扫描光学***的打印机控制器。
27.根据权利要求1的光学元件，其中当准备入射于所述微结构格栅上的光束的入射角被设为θ及透射于所述微结构格栅上的光量被设为Is(θ)时，满足
0.9＜Is(θ)/Is(0)＜1.1。
28.根据权利要求8的扫描光学***，其中当准备入射于所述微结构格栅上的光束的入射角被设为θ及透射于所述微结构格栅上的光量被设为Is(θ)时，满足
0.9＜Is(θ)/Is(0)＜1.1。
29.根据权利要求15的扫描光学***，其中当准备入射于所述微结构格栅上的光束的入射角被设为θ及透射于所述微结构格栅上的光量被设为Is(θ)时，满足
0.9＜Is(θ)/Is(0)＜1.1。
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