CN101144905A - 光学衍射元件,光学扫描系统,光扫描器和图像形成装置 - Google Patents

Abstract

一种透明的光学衍射元件，包括由阶梯形成的衍射面。阶梯的宽度设置为等于用于两个或更多波长的λ_i/{n(λ_i)－1}的公倍数，λ_i (i＝1，2，...)是波长，且n(λ_i)是关于波长λ_i的折射率。

Description

光学衍射元件，光学扫描系统，光扫描器和图像形成装置

相关申请的交叉引用

本申请通过参考包括于2006年9月15日和2006年11月15日在日本申请的日本优先权文件2006-25 1482和2006-308606的全部内容并主张其优先权。

技术领域

本发明涉及光学衍射元件，光学扫描系统，光扫描器和图像形成装置。

背景技术

光学扫描设备通过第一光学系统将从光源发射的光束导引至光偏转器，由光偏转器偏转光束，由第二光学系统将在要扫描的表面上将偏转的光束形成为光斑，并关学地扫描该表面。众所周知这样的光学扫描设备与例如为数字复印机，传真机，光学打印机和光学绘图仪的图像形成装置有关。

通常用作这样的光学扫描设备的光源的半导体激光器和发光二极管(LED)是单色光源。然而，它们的发射波长由于半导体激光器和发光二极管的类型的不同而不同。由光学扫描设备光学地扫描的感光体，依照其类型具有不同的感光度的光谱特性。总的来说，选择具有适合于感光体的光谱特性的发射波长的光源。

在光学扫描设备中，将从光源发射的光聚焦在感光体上作为光斑的扫描光系统包括为光学折射系统的透镜。透镜材料的折射率随其波长不同而不同，因为该材料具有唯一的色散。因而，在现有技术中，基于要使用的光源的发射波长设计光学扫描系统。用于光学扫描系统的光学元件与光源波长不具有兼容性。

在日本专利申请公开第2006-085487号中揭示了利用光学衍射元件，通过与另一透镜组合可以减少在光学扫描系统的焦点处由温度变化引起的波动。光学衍射元件作为光学扫描系统使用的光学元件具有衍射功能。然而，该系统未提高光学衍射元件与光源波长的兼容性。

众所周知光学扫描设备与例如为光学打印机，数字复印机和光学绘图仪的图像形成装置有关。近年来，需求不仅实现了成本低还实现了对环境波动具有鲁棒性且可以形成高分辨率图像的光学扫描设备。

为有效减低光学扫描设备的成本，以树脂材料形成用于光学扫描设备的各种类型的透镜。树脂材料重量轻且可以低成本形成。可以很容易地形成特定表面形状，尤其是球状表面。对树脂透镜采用特定表面可提高光学特性，并减少光学系统中包括的透镜数量。

另一方面，已知的是，树脂透镜的形状和折射率随着环境波动，特别是温度改变而变化。因此，光学特性，尤其是屈光度(Power)发生变化，偏离设计值。这导致了作为在要扫描的表面上的光斑的直径的光点直径，由于环境波动而波动的问题。

由于温度变化导致的树脂透镜的光屈光度波动在正透镜和负透镜上彼此相反地出现。已知一种方法，其去除在光学扫描设备的光学系统(包括正负透镜)中的正负树脂透镜处出现的由环境波动引起的光学特性的波动。

通常用作光学扫描设备的光源的半导体激光器具有发射波长在温度升高(温度变化引起的波长波动)时朝长波长侧偏移的性质。光源中的波长波动强加了光学扫描设备使用的光学系统的色像差引起的特性波动。相应的，该特性波动也引起光束点直径的波动。

已知日本专利申请公开第2002-287062号中揭示的光学扫描设备，其采用衍射面稳定光学特性。在日本专利申请公开第2002-287062号中考虑了光源中的波长波动和温度变化引起的光学元件的光学特性的波动。

利用衍射面对稳定光学扫描设备的光学特性很有效。形成衍射面通常需要极高精确度的微加工技术。例如，可以通过同心圆凹槽形成具有等同于球形透镜的屈光度的衍射面。然而，随着同心圆凹槽的半径增加，凹槽的间隔迅速变窄。相应的，形成高精确度的凹槽并不容易，这也成为以低成本形成衍射面的障碍。

发明内容

本发明的目的是至少部分解决现有技术中的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种透明的光学衍射元件，其包括由阶梯形成的衍射面。阶梯的宽度为设置等于用于两个或更多波长的λ₁/{n(λ₁)-1｝的公倍数，其中，λ₁(i＝1，2，...)是波长，且n(λ₁)是关于波长λ₁的折射率。

根据本发明的另一方面，提供了一种光学扫描设备，其包括：光源，用于发出光束；光偏转器，用于偏转来自光源的光束；第一光学系统，用于将来自光源的光束导引至光偏转器；第二光学系统，用于将光偏转器偏转的光束形成为扫描表面上的光斑；光扫描单元，用于光学地扫描扫描表面。第一光学系统和第二光学系统中的至少一个光学系统包括透明的光学衍射元件。该光学衍射元件包括由阶梯形成的衍射面。阶梯的宽度设置为等于用于两个或更多波长的λ₁/{n(λ₁)-1}的公倍数，其中，λ₁(i＝1，2，...)是波长，且n(λ₁)是关于波长λ₁的折射率。衍射面以衍射面的屈光度和折射面的屈光度相互抵消的方式设置的表面形状形成。

根据本发明的另一方面，提供了一种图像形成装置，其包括：图像形成单元，通过光学扫描形成图像；和，光学扫描设备，包括光源，用于发出光束，光偏转器，用于偏转来自光源的光束，第一光学系统，用于将来自光源的光束导引至光偏转器，第二光学系统，用于将光偏转器偏转的光束形成为扫描表面上的光斑，以及，光扫描单元，用于光学地扫描扫描表面。第一光学系统和第二光学系统中的至少一个光学系统包括透明的光学衍射元件。该光学衍射元件包括由阶梯形成的衍射面。阶梯的宽度设置为等于用于两个或更多波长的λ₁/{n(λ₁)-1}的公倍数，其中，λ₁(i＝1，2,...)是波长，且n(λ₁)是关于波长λ的折射率。衍射面以衍射面的屈光度和折射面的屈光度相互抵消的方式设置的表面形状形成。

结合附图阅读本发明的优选实施例的详细描述会更好地理解本发明的上述和其它目的，特征和技术及工业重要性。

附图说明

图1是说明根据本发明实施例的光学扫描设备的透视图；

图2是说明采用多光束扫描系统的光学扫描设备的示意图；

图3和图4是说明衍射面的相位匹配的示意图；

图5是说明衍射面的形状示例的示意图；

图6，图7和图8是说明菲涅耳透镜中包括的衍射部分和折射单元的示意图；

图9是说明依照本发明另一实施例的图像形成装置的示意图；

图10是说明依照本发明再一实施例的图像形成装置的示意图；

图11和图12是说明光学衍射元件的衍射面的示意图；

图13是说明实现光学衍射元件的期望衍射效率的条件的示意图；

图14是说明依照本发明又一实施例的图像形成装置的示意图；

图15是说明依照本发明又一实施例的光学扫描设备的示意图；和

图16和17是说明依照本发明又一实施例的图像形成装置的示意图。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的优选实施例。

图1是说明根据本发明实施例的光学扫描设备的透视图。

光源1是表面发射半导体激光器。光源1发出的光束由耦合透镜2耦合于下一级的光学系统。通过耦合透镜2传送的光束入射到为线图像形成光学系统的线图像形成透镜4，光束在通过孔3的开口时其外围被遮蔽且成形。线图像形成透镜4是在副扫描方向具有正屈光度且朝向主扫描方向对准无屈光度方向的柱状透镜。线图像形成透镜4是在副扫描方向聚焦入射光束。线图像形成透镜4也将光束聚集为，在与为光偏转器的多角镜5的偏转反射面临近的主扫描方向上加长的线图像。

换句话说，耦合透镜2和线图像形成透镜4形成了第一光学系统。

偏转反射面反射的光束通过形成第二光学系统的扫描透镜2传送，同时随着多角镜5的恒定速度旋转，以恒定的角速度偏转。光束的光通路由导引光束到要扫描的表面的转向镜7转向。光束聚集为在感光体8(实际要扫描的表面)上的光斑。因而光学地扫描该表面。

在图1的实施例中，由一个扫描透镜6形成第二光学系统。然而，第二光学系统可以包括多个透镜。

在感光体8的光学扫描之前，由同步镜9反射多角镜5偏转的光束。由同步透镜10将光束聚集到主扫描方向的同步检测单元11。基于同步检测单元11的输出确定光学扫描的写起始定时。

在本说明书中，依照要扫描的表面上的光斑的光强分布的线扩展函数中的强度1/e²定义光斑的直径。

对于线扩展函数，在由主扫描方向和副扫描方向的坐标Y和Z定义光斑的光强分布f(Y,Z)时，基于要扫描的表面上形成的光斑的中心坐标，以LSZ(Z)＝∫f(Y,Z)dY定义Z方向的线扩展函数LSZ，其中在Y方向对光束斑的整个宽度进行积分。

由LSY(Y)＝∫f(Y,Z)dZ定义Y方向的线扩展函数LSY，其中在Z方向对光束斑的整个宽度进行积分。

这些线扩展函数LSY(Y)和LSZ(Z)通常表示高斯分布。由在线扩展函数LSZ(Z)和LSY(Y)变得相等或大于最大值1/e²的区域的Y和Z方向上的宽度给定了Y方向和Z方向的斑直径。

由如上描述的线扩展函数光学地定义的斑直径用于以恒定速度裂隙扫描光斑。在此情况下，通过狭缝的光由光检测器接收，且可很容易地通过积分接收的光量来测量。商业上已提供了进行这种测量的设备。

图2是说明另一实施例的示意图。为避免复杂，用与图1相同的参考标记表示那些不可能混淆的部件。

图2所示的实施例提供了进行多光束扫描的光学扫描设备的二维光学配置。该示图显示了为表面发射半导体激光器的光源1和1’，耦合透镜2和2’，孔3和3’，为线图像形成光学系统的柱状透镜4A，镜面DM，多角镜5，形成第二光学系统的扫描透镜61和62，以及要扫描的表面8(实际上，感光体的感光面)。也显示了封住多角镜5的遮蔽物的隔音玻璃G1，和光学扫描设备的遮蔽物的防尘玻璃G2。尽管未显示在图1中，但是隔音玻璃G1和防尘玻璃G2也用于图1所示的实施例中。

从光源1和1’发出的光束分别在耦合透镜2和2’处耦合，且由孔3和3’成形。光束通过柱状透镜4A传送，由镜面DM反射，且形成为在接近多角镜5的偏转反射面的主扫描方向上加长的线图像。这些线图像在副扫描方向上分开预定间隔。

多角镜5反射的两光束随着多角镜5的恒定速度旋转，以恒定的角速度偏转。两光束通过扫描透镜61和62以及防尘玻璃G2传送。然后光束在要扫描的表面8上形成在副扫描方向上分开的两光斑，且以两条线同时光学地扫描表面8。

尽管未在图2中示出，但是以如图1给出的实施例相同的方式确定每一光斑的光学扫描的写起始定时。

另外，对于第一和第二光学系统，可相应地使用已知的各种类型。例如，由耦合透镜简单地形成第一光学系统的最简易的配置。耦合透镜将来自光源的光束转换为准直光束，弱发散光束，或弱会聚光束。然后耦合的光束可导引至光偏转器。

或者，第一光学系统可由耦合透镜与例如为柱状透镜的线图像形成光学系统形成。耦合透镜将来自光源的光束转换为准直光束，弱发散光束，或弱会聚光束。在光偏转器的偏转反射面处，柱状透镜将耦合光束形成为在主扫描方向加长的线图像。

对于第二光学系统，可以相应地使用包括等于或多于一个透镜的fθ透镜，由具有fθ功能的反射面构成的fθ镜，或其它通过具有等于或多于一个透镜和镜面而实现期望的光学特性的系统。

对于光偏转器，可以相应使用例如为多角镜，旋转双面镜和旋转单面镜的已知偏转器。

现在将说明本实施例的光学衍射元件。存在有各种类型的光学衍射元件。这里，作为示例给出了例如为菲涅耳透镜的透射型(相位型)光学衍射元件，其中，由阶梯(Step)分开的圆形区域从光轴向外围逐渐变窄。从标量衍射理论获得下面说明中使用的表达式。

如果具有波长λ的光束入射在具有阶梯d的衍射面且聚集光的光学衍射元件上，则光束与m波长的相位差相位匹配，并且在衍射面的形状满足自然数“m”的等式(1)时聚焦为第m阶的衍射光。通过每一圆形区传送的光束由阶梯分开。衍射面具有衍射透镜屈光度。

d＝mλ/{n(λ)-1}    (1)

在等式(1)中，“n(λ)”是关于波长λ的元件材料的折射率。

如下关于第0阶光的焦距f₀，提供聚焦第m阶衍射光的聚焦光学衍射元件的焦距f。

F＝[{n(λ)-1}d/λmf₀    (2)

由等式(1)，因为等式(2)右侧的[{n(λ)-1}d/λm]等于1，因此，关于第m阶衍射光的聚焦光学衍射元件的焦距等于关于第0阶光的焦距f₀。

这里将考虑两种类型的波长λ_j和λ_k。设置光学衍射元件的阶梯d从而用于与波长λ_j和λ_k相位匹配。换句话说，关于阶梯d，波长λ_j的光与m_j波长的相差相位匹配，且波长λ_k的光与m_k波长的相差相位匹配。

为满足该条件，应满足等式(3)。

d＝m_jλ_j{n(λ_j)-1}＝m_kλ_k/{n(λ_k)-1}    (3)

此时，关于波长λ_j的光，光学衍射元件的焦距为：

f_j＝[{n(λ_j)-1}d/λ_jm_j]f₀    (4-1)

关于波长λ_k的光，光学衍射元件的焦距为：

f_k＝[{n(λ_k)-1}d/λ_km_k]f₀    (4-2)

换句话说，当衍射面的阶梯d满足等式(3)时，衍射元件的焦距变得与两种类型波长λ_j和λ_k相同。这使得对于两种波长提供相同的光学功能。

满足等式(3)的条件导致阶梯d是关于波长λ_j和λ_k的λ_j/{n(λ_j)-1}和λ_k/{n(λ_k)-1}的公倍数。

换句话说，当考虑来自光源的具有不同发射波长λ_j和λ_k的两种类型的光学扫描设备时，对于光学扫描设备的第一和第二光学系统可以使用满足等式(3)的光学衍射元件。

因而，可将光学衍射元件使用作为关于两种类型的光学扫描设备具有相同光学功能的光学元件。光学扫描设备也包括具有不同发射波长的光源。换句话说，衍射元件与两种类型的光学扫描设备兼容。

可以归纳上述说明。从光源发出的光束由第一光学系统导引至光偏转器，且由光偏转器偏转。偏转的光束由第二光学系统在要扫描的表面上形成为光斑。在光学地扫描要扫描的表面的光学扫描设备中，对第一和第二光学系统中的任一个或两者使用的光学地传送光学衍射元件形成具有阶梯的衍射面。当阶梯d设置为等于，关于2个或多于2个的波长λ₁(i＝1，2,...)以及关于波长λ₁的元件材料的折射率n(λ₁)的λ₁/{n(λ₁)-1}的公倍数时，光学衍射元件变得与波长λ₁(i＝1，2,...)中两个或多于两个的光源相兼容。

当阶梯d设置为等于，关于2个或多于2个的波长λ₁(i＝1，2，...)以及关于波长λ₁的元件材料的折射率n(λ₁)的λ₁/{n(λ₁)-1}的公倍数时，技术上并不容易将阶梯d与公倍数准确的匹配。然而，因为光学衍射元件可以只具有关于波长的相同的光学功能，阶梯和公倍数可以对应于实现关于波长的相同的光学功能的范围内。同样的，设置阶梯d为本实施例中的公倍数。

与衍射光的聚焦相关的特性是，焦距与波长成反比例。换句话说，屈光度与波长成比例。在用作光学扫描设备的光源的半导体激光器和LED的发射波长范围内，由于光学衍射元件的波长波动引起的屈光度波动绝对大于由于材料的折射率的色散引起的屈光度波动。

换句话说，即使当由于材料的折射率的色散而并不准确地满足等式(3)时，由此引起的屈光度差相比原始波长差引起的屈光度差而言很小。因为，本发明的光学衍射元件可用作与不同发射波长的光源具有兼容性的光学元件。因而，本发明的光学衍射元件由于相同的原因可对于光量而言最小化衍射效率的下降。

同样，本发明的光学衍射元件具有与使用不同发射波长的光源的光学扫描设备的兼容性。结果，对实现不同类型的光学扫描设备，可以减少组件的数目并达到低成本。

对于衍射面的形状，最好设置衍射面的形状为在衍射部分的屈光度和在折射部分的屈光度相互抵消。

以菲涅耳透镜为例，如图5所示，衍射面的衍射部分具有的形状为以合适的阶梯和节距(Pitch)弯曲折射单元的表面。为获取与折射单元相同的屈光度，衍射面的形状和屈光度为衍射部分和折射单元的合并量。通常，如图6所示的示例中，衍射部分的阶梯的节距朝着透镜的外围逐渐变窄。因此，当通过成型形成衍射部分时，衍射部分的形成趋向于变得复杂。

在此情况下，设置衍射面的形状为，在衍射部分的屈光度(正屈光度)(图6)和在折射单元的屈光度(负屈光度)(图7)相互抵消。因而，衍射部分的弯曲部分如图8的衍射面的形状一样变为钝角。结果，成型变得很容易。

在图8所示的示例中，衍射面的形状是多阶梯型。弯曲部分的角度是直角且形成与光轴对称的梯状形状。这样的多阶梯衍射面更容易成型。光学地，第0阶光的衍射光和等于或大于第1阶的衍射光相同且等同于无屈光度表面。结果，关于离心率，光学性能较少趋向于恶化。

可关于主和负扫描方向单独设置衍射面的衍射部分的屈光度。当在相同的表面上如此设置衍射部分时，从光轴方向看衍射面，衍射部分的弯曲部分变成同心椭圆或同心圆。关于主和负扫描方向单独设置衍射部分的屈光度。然而，当通过成型形成具有同心椭圆或同心圆的衍射面时，将轴取出有困难且需要考虑齿印清理。

在此情况下，作为本发明的光学元件，一个衍射面可形成为“在衍射部分的屈光度只作用在特定方向(主扫描方向或副扫描方向)的形状”。即，一个衍射面可形成为具有与主扫描方向和副扫描方向中任一个或两者平行的笔直阶梯形状。结果成型的形成变得容易。

通过切割模具实现衍射面的形状。当以直线做出阶梯的形状时，通过只在一个方向移动切割齿而执行切割。这对清理齿印没有任何问题。

同样，如在本实施例的光学元件中，如果具有与光轴对称的梯状形状，则放置齿的角度变为直角。结果，成型的形成变得更容易。

当光学衍射元件的衍射面的阶梯变得很大时，几何光学中的虚光照可能在阶梯处产生，且当进入的光束并不准直时，可能产生较大的球面像差。

为避免这样的问题，较佳的是限制阶梯的尺寸为最小。更准确的说，作为本实施例的光学元件，较佳的是设置衍射面的阶梯d实质上等于，关于2个或多于2个的波长λ₁(i＝1，2，...)以及关于波长λ₁的元件材料的折射率n(λ₁)的₁/{n(λ₁)-1}的公倍数。

当衍射面的阶梯变大时，最大节距也变大。然而，如果最大节距超过进入衍射面的光束宽度，则用于光束的光学衍射元件变得和纯折射表面相同。因而，不能实现衍射独有的效果。因此，作为本实施例的光学元件，要调整入射光束直径和“衍射面的最大节距”之间的尺寸关系，从而“衍射面的最大节距变得小于进入衍射面的入射光束直径”。

如在本实施例的扫描光学系统中，当透镜具有与具有不同发射波长的波长的兼容性的光学衍射元件时，其总具有色散特性。或者，当透镜具有相对扫描光学系统的等于或多于2倍的波长时，透镜具有色散特性。当波长改变时几何光学中的焦距位置不可避免地也改变。为避免这个问题，扫描光学系统中的光学元件可包括可调节设置位置的光学衍射元件。因而，可处理随着具有不同波长的光源的调换而发生的几何光学中焦距位置的波动。

另外，以通过光学扫描形成图像的图像形成装置，各种类型的物体可用于作为由光学扫描设备光学地扫描的光学扫描目标的感光体。例如，银盐薄膜可用作感光体。在此情况下，由光学扫描写入形成的潜像可由银盐照相处理显现。这样的图像形成装置可用作光学制版装置和绘制CT扫描图像的光学绘制装置等。

作为感光体，也可以使用在光学扫描期间由光束斑的热能显色的上色媒体(Coloring Medium)(阳极印刷纸，Positive Printing Paper)。在此情况下，可由光学扫描直接形成显现的图像。作为感光体，可以使用“光敏感光体”。作为光敏感光体，可以使用例如氧化锌纸的片状类型。或者，可以使用可重复使用的鼓状类型或带状类型，例如硒感光体和有机光学半导体。

当使用光敏感光体时，均匀地充电感光体，且由光学扫描设备的光学扫描形成静电潜像。由显影显现静电潜像为色剂图像。当感光体是例如氧化锌张的片状类型时，色剂图像直接定影在感光体上。当感光体是可重复使用的类型时，将色剂图像转印且定影在例如为转印纸和OHP透明片(用于投影仪的塑料片)的片状记录介质上。

从光敏感光体到片状记录介质的色剂图像的转印可直接从感光体转印到片状记录介质(直接转印法)。或者，可一次转印到例如中间转印带的中间转印介质上，且然后从中间转印带转印到片状记录介质上(中间转印法)。这样的图像形成装置可用作光学打印机，光学绘图机，数字复印机等。

图像形成装置沿着片状记录介质的传输通道排列多个光敏感光体。然后，利用多个光学扫描设备将静电潜像形成在各个感光体上。显影获得的色剂图像被转印且定影在相同的片状记录介质上。因而可以执行串型(tandem)图像形成装置。

现在参考图9说明图像形成装置的实施例。该图像形成装置为“激光打印机”。

激光打印机100包括作为感光图像载体(光学扫描目标)111的“形成为圆柱体的光敏感光体”。在图像载体111周围排列作为充电单元的充电辊112，显影设备113，转印辊114，和清理设备115。“电晕充电器”可用作为充电单元。

对激光打印机100提供通过激光束LB执行光学扫描的光学扫描设备117。在充电辊112和显影设备113之间执行光写入的曝光。

图9给出了定影设备116，参考标记118表示盒(Cassette)，一对保护辊119和纸张进给辊120。也给出了传输通道121，一对纸张弹出辊122，托盘123和用作片状记录介质的转印纸P。

在形成图像时，为光敏感光体的图像载体111在顺时针方向以恒定速度旋转。由充电辊112均匀地对图像载体111的表面充电。由光学扫描设备117的激光束LB的光写入而引起的曝光形成静电潜像。形成的静电潜像是所谓的负潜像，且成像单元被曝光。

静电潜像由显影设备113反转显影，且色剂图像形成在图像载体111上。存储转印纸P的盒118可从图像形成装置100主体上拆离。在如图9所示安装盒118的状态下，由纸张进给辊120进给最上的一张储存的纸P。进给的转印纸P的端部由一对保护辊119保持。在图像载体111上的色剂图像移动到转印位置的同时，该对保护辊119将转印纸P进给到转印单元。

在转印单元处进给的转印纸张P与色剂图像重叠，且由转印辊114的动作将转印图像静电转印。转印了色剂图像的纸P被传送到定影设备116。在定影设备116处定影色剂图像。通过传输通道121的转印纸P由一对纸张弹出辊122卸到托盘123上。

清理设备115清理转印色剂图像后的图像载体111的表面，且移除残留色剂，纸末等。

通过使用该光学扫描设备为光学扫描设备为117，可以获得与不同类型光源兼容的图像形成装置。

图10是只给出了依照本发明另一实施例的图像形成装置的主体的示意图。

该图像形成装置是串型彩色图像形成装置。在图10中，参考标记Y表示黄色，M表示洋红色，C表示青色，且K表示黑色。为光学扫描目标的感光体11Y、11M、11C和11K顺时针方向旋转。充电器TY、TM、TC和TK，显影器GY、GM、GC和GK，转印单元15Y、15M、15C和15K，以及清理单元BY、BM、BC和BK在旋转方向顺序排列在每一感光体周围。

光学扫描设备20光学地扫描充电器TY、TM、TC和TK和显影器GY、GM、GC和GK之间的感光体的表面。相应的，在每一感光体上形成静电潜像。由相应的显影器显影每一感光体上的静电潜像，从而在感光体上形成每一色彩Y、M、C和K的色剂图像。

转印带17逆时针方向旋转，且通过由于静电吸附将片状记录介质贴在上部外围表面来传输片状记录介质。然后，通过转印单元15Y将感光体11Y上的黄色色剂图像转印在片状记录介质上。通过转印单元15M、15C和15K顺序地将感光体11M、11C和11K上的每种颜色的色剂图像转印在片状记录介质上。因而，四种颜色的色剂图像叠加在片状记录介质上，从而形成彩色图像。通过定影设备19在片状记录介质上定影彩色图像。

在图10中，给出了光学扫描设备20的之后说明的光偏转器50的光通路。尽管未显示在图10中，光学扫描设备20具有用于感光体11Y到11K的四种类型的光源。来自这些光源的光束由第一光学系统分别导引到光偏转器50。相应于每一光源的第一光学系统与图1或2中说明的相同，且包括耦合透镜，柱状透镜，孔等等。

光偏转器50是在轴方向加长的多角镜，且如图10所示偏转由第一光学系统导引的来自每一光源的光束。

作为示例，将说明光学扫描感光体11的光束。由形成图像的彩色图像的洋红色组分的图像信息对光束进行强度调制。当由光偏转器50偏转光束时，光束通过扫描透镜8M传送，且该通道由转向镜mM1、mM2和mM3顺序地反射而转向。通过扫描透镜10M传送而将光束导引至感光体11m。由形成第二光学系统的扫描透镜8M和10M的动作在感光体11m上形成光斑。类似地进行其它感光体的光学扫描。

通过利用这个光学扫描设备作为光学扫描设备20，可以获得与不同类型的光源兼容的图像形成装置。

将说明上面参考图11说明的光学扫描设备的特定示例。

如前所述，尽管未显示在图1中，图1中的光学扫描设备包括封住多角镜5的遮蔽物的隔音玻璃，和光学扫描设备的遮蔽物的防尘玻璃。隔音玻璃和防尘玻璃都具有1.9毫米的厚度。在与多角镜5的旋转轴垂直的平面内相对主扫描方向倾斜隔音玻璃10度。

已说明的本实施例中的光学扫描设备的光学扫描系统通用于具有发射波长655纳米和785纳米的两种类型的光源。该发射波长是在25摄氏度的情况下。

下面给出了关于波长655纳米和785纳米的玻璃的折射率，其温度波动和线性膨胀系数。玻璃是隔音玻璃和防尘玻璃的材料。

玻璃中值    温度波动    线性膨胀系数波长655nm     1.514350    1.514290    7.5X10^-6波长785nm     1.511076    1.511027    7.5X10^-6

中值是在标准温度25摄氏度时的折射率。温度波动是温度从标准温度升高20度时关于每一波长的折射率。

两种类型的光源称为光源1和光源2。表1中给出了关于光源1和2的温度转变量(温度改变：每一摄氏度波长的改变量)

表1
				发射波长(25°)	温度转变量
光源1	785nm	+0.23nm/℃
			光源2	655nm	+0.17nm/℃

形成第一光学系统的耦合透镜2、柱状透镜4和扫描透镜6由相同的树脂材料分别形成。此后，简单地称树脂材料为“树脂”。

表2给出了关于两种类型的发射波长的树脂的折射率。

表2

树脂	中值	温度波动
			波长655nm(25 )	1.527235	1.525367
波长785nm(25°)	1.523859	1.522026

树脂的线性膨胀系数是7.0X10^-5。

在表2中，波长和中值是在标准温度25摄氏度情况下的折射率。温度波动是温度从标准温度升高20度时关于每一波长的折射率。

将说明形成第一光学系统的耦合透镜2，柱状透镜4以及耦合透镜2与柱状透镜4之间配置的孔3。

耦合透镜2由树脂形成。其焦距近似为5毫米且配置成具有将来自光源的发散光束转换为弱发散光束的功能。

耦合透镜2使用衍射面作为入射面，且投影面为非球面。设置非球面以充分校正耦合光束的波前像差。

对于在耦合透镜2的入射侧的衍射面，利用C为系数表示相位函数(R)(R)＝C·R²。

表3给出了关于光源1和2的发射波长的光的系数C。

表3

	C
		光源1(785nm)	-0.027003
光源2(655nm)	-0.027177

当波长不同时，存在材料色散引起的折射率的不同。因而，尽管是相同的形状，相位函数(系数C)基于波长而不同。

半导体激光1和耦合透镜2固定地保持在具有线性膨胀系数1.7×10^-5的材料的保持部件。

耦合透镜2的入射面的衍射面形成为梯状表面，梯状表面的衍射阶梯为在恒定系数0.051546391的抛物线面上的同心圆。此时，耦合透镜2的入射面处的屈光度在主扫描方向和副扫描方向变为P1(在衍射面处的屈光度)＝P2(在形成反射单元的抛物线面处的屈光度)。加工的衍射面变为梯状，即多阶梯型。在耦合透镜2的入射面处的屈光度在主扫描方向和副扫描方向为无屈光度。

在衍射面处的阶梯d为7496.38nm。

作为用于耦合透镜2的材料的树脂，其折射率n(λ)关于波长785nm是1.523859，而关于波长655nm是1.527235。因此，λ/{n(λ)-1}关于波长785nm是1.499mm，而关于波长655nm是1.249mm。

此时，等式为1.499×5＝7.495μm和1.249×6＝7.494μm。

  因此，阶梯d＝7496.38nm7.496μm，实质上等于关于波长785nm和655nm的λ/{n(λ)-1}的最小公倍数。

换句话说，本实施例的衍射面是对波长785nm的光的第5衍射光和波长655nm的光的第6衍射光的优化形状。

图3和4是给出了衍射面的阶梯处相位匹配的状态的示意图。部分30是树脂部分。由于衍射面形成为耦合透镜的入射侧的表面，因此，光从图3和4的右手侧进入。

图3是关于波长785nm的相位匹配的状态。相位匹配发生在沿空气传播的第10个波长和沿树脂传播的第15个波长处，从而产生第5衍射光。

图4是关于波长655nm的相位匹配的状态。相位匹配发生在沿空气传播的第12个波长和沿树脂传播的第18个波长处，从而产生笫6衍射光。

如果阶梯d是在从光源1和2发出的激光的相干长度内，则可以设计使用任意的第m阶衍射光的光学衍射元件。相干长度表示光学衍射元件的衍射功能的理论极限。通常，半导体激光器的光谱是等于或小于1nm的半高全宽。由于相干长度覆盖几毫米至几米，因此如果阶梯大约为几微米则可获得足够的衍射光。

因而，对波长785nm的光源和波长655nm的光源可共用具有阶梯d的衍射面。

衍射面的衍射光(第5衍射光和第6衍射光)的几何光学上的聚焦位置的差异只是由材料色散引起的很小的差异。为消减几何光学上的差异，耦合透镜2被做成在光轴方向上位置可调。对应于光源的发射波长，调节将耦合透镜2附着到底座的附着层的厚度。

如上所述，设置衍射面的表面形状，使得衍射部分的屈光度P1和折射部分的屈光度-P2相互抵消且为多阶梯型。

在本实施例中，利用衍射面的负色散特性，在衍射面设置屈光度来校正由温度波动而波动的整个光学系统的屈光度。

在柱状透镜4和耦合透镜2之间配置的孔3确定光束腰直径(光斑直径)。孔3是“长方形开口”，具有在主扫描方向上的2.72毫米的开口直径和在副扫描方向上的2.28毫米的开口直径。孔3对耦合透镜2耦合的光束塑形。孔直径是基于在图像表面上获得期望的斑直径的光学系统的设计而确定。

柱状透镜4由树脂制成。柱状透镜4的入射面是在副扫描方向上具有19.72的曲率半径的圆柱形表面。柱状透镜4的投影面是平面透镜。线图像形成透镜也可以具有上述的衍射面。柱状透镜4的设计值由光学系统的布局确定。

将说明从光偏转器到要扫描的表面的光学系统。

作为光偏转器的多角镜5，其由具有13毫米的内切圆半径的6个反射面构成。由从光源侧进入的光束的行进方向与由偏转反射面反射的、朝着要扫描的表面8处的图像高度O的位置的光束的行进方向构成的角度θ为68度。

表4给出了在从光偏转器到要扫描的表面的光学通路上的光学系统的数据。

表4

	Rm	Rs	Dx	Dy	N
						光偏转器(旋转轴)	-	-	43.0	6.7	-
扫描透镜6入射面	179	96.399	13.5	0	树脂
						扫描透镜6投影面	-157.258	-19.327	176
要扫描的表面	-	-	-	-	-

在表4中，Rm表示主扫描方向的近轴曲率，Rs表示副扫描方向的近轴曲率，Dx和Dy表示从每一光学元件的原点到下一光学元件的原点的相对距离。单位是毫米。

例如，对于关于光偏转器的Dx和Dy，当从光偏转器(多角镜5)的旋转轴看时，扫描透镜6的入射面的原点在光轴方向偏移43.O毫米，且在主扫描方向偏移6.7毫米。如上所述，在光偏转器5和透镜6之间配置隔音玻璃，且在扫描透镜6和要扫描的表面8之间配置防尘玻璃。

扫描透镜6的每一表面为非球面。每一表面在主扫描方向具有非圆弧状，和在副扫描部分(与光轴和副扫描方向平行的实质部分)内的曲率改变到主扫描方向的特定表面。

由下面通用表达式表示非圆弧。在该表达式中，使用在主扫描部分(包括光轴并平行于主扫描方向的实质部分)内的近轴曲率Rm，在主扫描方向上与光轴的距离Y，和锥形常量(Conical Constant)Km。也使用高阶系数A1、A2、A3和A4等以及光轴方向的深度X：

$X=(Y^2/\mathrm{Rm})/[1+\√\{1+\mathrm{Km}\left){(Y/\mathrm{TRm})}^2\right\}\]$

由下式表示一表达式，其表示在副扫描部分(Y是主扫描方向的坐标，具有如原点的光轴位置)内的曲率Cs(Y)在主扫描方向上改变的状态。使用包括在光轴的副扫描部分内的曲率半径Rs(O)和系数B1、B2、B3等：

Cs(Y)=[1限s(O)]+B1Y+B2Y2+B3Y3+B4Y4+B5Y5+B6Y6+…

表5给出了扫描透镜6的入射侧表面(特定表面)的系数。

表5

主扫描方向的系数		副扫描方向的系数
				Km	-5.35584×10	B1	0
A4	-1.38469×10-6	B2	0
				A6	-1.57916×10-9	B3	0
A8	3.65531×10-12	B4	0
				A10	-8.360685×10-15	B5	0
A12	1.12844x10-17	B6	0
				A14	-5.98173×10-21	B7	0
	-	B8	0

表6给出了扫描透镜6的投影侧面(特定表面)的系数。

表6

主扫描方向的系数		副扫描方向的系数
				Km	1.94524	B1	-2.08484x lO-5
A4	-9.04035×10-7	B2	1.67626×10-5
				A6	-1.03608×10-9	B3	-1.08187×10-8
A8	1.32700x 10-12	B4	-1.01661×10-8
				AIO	-3.07707x 10-15	B5	4.95931×10-12
A12	3.39516×10-1s	B6	9.76946×10-14
				A14	-1.38719×10-21	-	-

适当的地配置偏转器之前的第一光学系统的光学元件与在偏转器之后的第二光学元件，使得在主扫描方向和副扫描方向上的所有光学系统的图像形成位置变得接近要扫描的表面。

在本实施例中，如果耦合透镜2不具有衍射面，则在温度改变20摄氏度时，主扫描方向上的光束腰位置的波动变得如表7所示。

表7

	温度波动
		光源1(785nm)	10.020mm
光源2(655nm)	10.086mm

另一方面，在耦合透镜2具有衍射面的实施例中，当温度改变20摄氏度时，主扫描方向上的光束腰位置的波动变得如表8所示。

表8

	温度波动
		光源1(785nm)	-0.159mm
光源2(655nm)	0.741mm

通过如上述对耦合透镜2使用衍射面，可以对具有不同发射波长的光源1和2实现对温度波动引起的主扫描方向上的光束腰位置的波动具有鲁棒性的光学扫描设备。

在本实施例，将具有减弱来自光源的发散光束的发散的功能的透镜用作耦合透镜2。然而，并不限于此，具有准直来自光源的光束的功能的透镜，具有将来自光源的光束转换为弱会聚光束或弱发散光束等功能的透镜等可用作耦合透镜。

除耦合透镜之外，衍射面可用于线图像形成光学系统和扫描透镜。对于第一光学系统和第二光学系统，除了上述的之外，还可使用任意合适的已知的光学系统。同样，对于图像形成装置，除了上述的之外，也可使用任意合适的已知的配置。

现在将说明光学元件的另一实施例。

在图11和12中，参考标记F和FO表示具有阶梯的衍射面。通过折叠在预定阶梯的连续函数f(x)而确定的原始形状来形成这些衍射面的截面形状。预定阶梯在图11中是H，在图12中是HO。对于光学衍射元件，假定其使用在透明平行板的一表面上形成衍射面F和FO的光学衍射元件。

具有阶梯的衍射面包括如本实施例中的梯状截面形状。在此情况下，对应于梯状形状的平台的部分是垂直于光轴的平面形状。

阶梯是原始形状f(x)被弯曲时的高度。当进入衍射面的光束的波长设置为λ且形成了衍射面的介质的折射率设置为n时，H和H0是λ/{n(λ)-1}的整倍数。

在图12所示的示例中，阶梯H0设置为等于λ/{n(λ)-1}。此时，当准直光束进入形成有衍射面F0的光学衍射元件时，理论上，衍射面FO的第一衍射光以100％的透射率投影，且在一定焦距形成图像。

然而，如图12所示，衍射面F0的截面形状处的相邻阶梯的间隔D0朝着外围(图12中的两个方向的边缘侧)迅速变窄。光学衍射元件的光束会聚区域(图11和12所示的光束宽度)越大，在衍射面的外围处的间隔D0变得越小。因而，变得很难以高的准确性进行衍射面F0的形状的处理。

对于图11所示的衍射面的形状，形成衍射面F的阶梯H设置为等于，关于入射光束的波长λ的折射率n(λ)和光学衍射元件的材料的波长λ的λ/{n(λ)-1}的两倍。在入射光束的通过区域(显示为“光束宽度”)，阶梯的数目设置为等于或多于6。

相应的，在衍射面F，H为λ/{n(λ)-1}的两倍。因此，理论上，衍射面F的第2衍射光以100％的透射率投影，且在一定焦距形成图像。通常，理论上，当对光学衍射元件形成的衍射面的阶梯是λ/{n(λ)-1}的N(≥2)倍时，N阶衍射光以100％的透射率投影，且在一定焦距形成图像。

通过比较图11和12，很显然，通过设置阶梯是λ/{n(λ)-1}的2倍(通常，N(≥2))时，相邻阶梯之间的间隔D变大。这允许光学衍射元件的外围处的较大间隔D，从而使得更容易形成衍射面。从光学特性的方面来看，只有衍射阶次从第1衍射光变化为第2衍射光(通常，N阶衍射光)。因此，理论上，不会出现不必要阶次的衍射光。

实际上，当阶梯H大于由λ/{n(λ)-1}计算的值时，期望阶次的衍射光不会以100％的透射率投影，且会出现不必要阶次的衍射光。不必要阶次的衍射光的出现很大程度上基于何类光束正进入光学衍射元件。如本实施例中所示，光学衍射元件用于具有长的相干长度的光束。当具有长的相干长度的光束入射时，不必要阶次的衍射光的出现处于可忽略的程度。

上述的光学衍射元件是在光源和光学扫描设备的光偏转器之间使用的具有透光性的光学衍射元件。光学扫描设备对来自光源的具有长的相干长度的光束进行偏转，在要扫描的表面上将光束聚焦为光斑，且光学地扫描要扫描的表面。当光学衍射元件用于光学扫描设备时，需要光源发出具有长的相干长度的光束。由于从半导体激光器发出的光束具有几十毫米到几米的长的相干长度，因此，其适用于这样的光源。然而，并不限于此，气体激光器等也可用于光源。

使用发出长的相干长度的光束的器件作为光源的原因是防止在光学衍射元件的衍射面处出现不必要阶次的衍射光。

同样，在该光学衍射元件中，弯曲设置衍射面的形状的原始形状的阶梯H被设置为等于λ/{n(λ)-1}的整数倍。因此，即使在外围也可很大程度上保证覆盖区域中的阶梯的间隔，从而很容易形成衍射面的形状。从保证阶梯的间隔尺寸的方面来看，阶梯最好是很深。因而，N最好是很大。然而，当N很大时，通过光学衍射元件的光束中出现的阶梯的数目减少。因而，作为衍射面的效果减少且衍射效率降低。这使得出现期望衍射光量的减少以及出现不必要阶次的衍射光的这样的不期望情况。

通常，当树脂化例如为耦合透镜和柱状透镜的小光学元件时，透射率变为近似为90％(因为没有如玻璃一样镀上抗反射层)。为了曝光感光体，最好是每一在光源和感光体之间的光学元件具有等于或多于80％的透射率。感光体实际上是由光学扫描设备光学地扫描的表面。对于光学衍射元件，关于光学衍射元件中的期望的阶次衍射光的衍射效率的所需最小值近似为0.8/0.9＝89％。此时，在考虑到图13所示的二进制型衍射面的形状时，衍射效率被表示为：{sin(π/N)/(π/N)}²。

当N＝6时，衍射效率超过89％。因此，当在二进制型衍射面的形状实现等于或大于89％的衍射效率时，需要等于或多于6的阶梯作为衍射面的截面形状的阶梯。

这样的理论可应用于如图11和12所示的在预定阶梯H弯曲原始形状f(x)的衍射面。当等于或多于6的阶梯未出现在光束通过光学衍射元件的区域(上述图11和12中的“光束宽度”)内时，光束不以等于或大于89％的透射率投影。

因此，在光束通过光学衍射元件的区域中，未限制整数倍N的上限，从而形成衍射面的阶梯的数目变得等于或大于6。

当基于波长λ1和λ2设置弯曲原始形状f(x)的阶梯H为λ/{n(λ)-1}的N(≥2的整数)倍时，阶梯H可为关于波长λ1的光的λ1/{n(λ1)-1}的N1(≥2的整数)倍。阶梯H可为关于波长λ2的光的λ2{n(λ2)-1}的N2(≥2的整数)(N1≠N2)倍。

具有这样设置阶梯H的衍射面的光学衍射元件产生关于波长λ1的光的N1阶衍射光。该元件也可产生关于波长λ2的光的N2阶衍射光。换句话说，相同的光学衍射元件可用作关于具有不同波长λ1和λ2的光产生不同阶次的衍射光的光学元件。

例如，当将采用设计来提取第5衍射光(N＝5)的衍射面形状作为光学表面的光学衍射元件被用作具有发射波长780nm的半导体激光器的光学扫描设备中的耦合透镜时，相同的光学衍射元件可用作使用具有发射波长650nm的半导体激光器的光学扫描设备中的耦合透镜。因而，光学衍射元件可用作能提取第6衍射光(N＝6)的光学衍射元件，且每一个的衍射效率近似为100％。

通常，当对780nm波长优化设计的光学衍射元件用作具有不同波长的光学衍射元件时，衍射效率显著地恶化。尽管这样的使用是不可能的，但当特定条件满足上述情况时，可以设计对应于多个波长的光学元件。换句话说，可以获得在考虑使用的多个波长λ_i(i＝1，2，...)处的阶梯λ1/{n(λ1)-1}，并确定阶梯H为最小公倍数。

用作光学扫描设备的半导体激光器的主流波长是780nm和650nm。因此，当如上设置衍射面的形状时，在不改变任何形状的情况下，可实现可用于该两个波长的光学衍射元件。结果，可以期望成本的很大程度的降低。

上述的光学衍射元件是对透明平行板的一个表面形成具有阶梯的衍射面的类型。然而，光学衍射元件并不限于此，并可以是包括在本实施例中揭示的衍射面的元件。

图14是说明光学衍射元件的实施例的示意图。

在图14所示的光学衍射元件300中，以梯状截面形状形成具有阶梯的衍射面3A。阶梯h设置为等于，关于入射光束的波长λ的折射率n(λ)和光学衍射元件材料的波长λ的λ/{n(λ)-1}的等于或多于2倍的整数倍。入射光束的通过区域中的所有阶梯的数目等于或多于6(图14所示的示例中的6)。在衍射面的屈光度实质上为0。

入射光束的通过区域中的所有阶梯的数目包括光轴，且为入射光束通过的区域中存在的所有阶梯的数目。例如，当衍射面的梯状截面形状是以光轴为对称轴对称时，所有阶梯的数目是2n，且当n个阶梯存在于轴的一侧时等于或多于6。

具有梯状截面形状的衍射面必然变为凹或凸的表面。由于阶梯的高度小于波长阶次，因此，表面作用为凹或凸的折射面。

衍射面处的屈光度实质上为0，意味着折射面处的屈光度和在衍射面本身处的透镜屈光度相互抵消。同样，由衍射面的梯状截面形状形成折射面。必然的，衍射面的截面形状变为梯状。

阶梯的数目或所有阶梯的数目设置为等于或多于6的原因是为了有效地实现关于通过衍射面的光束的衍射效果。

另外，如上所述，通过设置衍射面的阶梯H等于为λ/{n(λ)-1}的等于或多于2倍的整数倍，相邻阶梯的间隔变大。其结果是，衍射面的处理变得简单，从而更容易制作光学衍射元件。通常，很容易形成具有梯状截面结构的衍射面。因此，也很容易制作具有这样的衍射面的光学衍射元件。

在入射光束通过的范围内，光学衍射元件的阶梯的数目等于或多于6。由于其用于具有长的相干长度的光束，因此可以实现好的衍射功能。

为了形成具有梯状形状的阶梯的衍射面的截面形状，在衍射面3A的衍射部分的屈光度和当梯状截面形状被拉平滑时在曲线表面处的屈光度只需要幅度相等但符号相反。此时获得的衍射面必然变为如上所述的梯状形状。在该结构中，在衍射面和后部切槽之间的关系在任意点变为直角。其结果是，很容易测量且处理变得很简单。

由于获取的衍射面3A是无屈光度的，因此即使相反一侧的表面3B为离心的，离心率的影响也非常小，从而减低了对处理精确性的要求。梯状衍射面也可以采用不生成例如为成形器(Shaper)的切割记号的形成方法。这可以减少处理时间。处理时间的减少也提供了例如在处理期间的热生成的减少的附带好处。其结果是，最好是获得高精确度的衍射面。

光学衍射元件300的透镜屈光度给定为投影面和入射面处的屈光度的合成。即使面3A处为无屈光度，但是通过适当地设置相反一侧的表面3B的屈光度，也可获得期望的透镜屈光度。因此，具有例如梯状截面形状的衍射面可用于具有任意屈光度的透镜。

衍射面3A的表面精度可被加工得非常平滑，因为不存在具有非平面表面的部分。很少出现散射光和光束斑直径的变厚。

当具有梯状截面形状的衍射面用于使用多光束光源的光学扫描设备时，其优点是要扫描的表面上的扫描线的节距的波动很少出现。光学衍射元件的轴方向的旋转引起该波动。

图14的光学衍射元件300对光轴旋转对称。该衍射面的阶梯处于同心圆中。通过将形状作成同心椭圆，可实现变形透镜。

形成实际光学衍射元件中衍射面的阶梯的数目是从几十个到几百个。

图15是给出光学扫描设备的实施例的光学配置的示意图。

从半导体激光器501发出的发散光束由耦合透镜502转换为期望的配置的光束。光束由孔503塑形且发送到变形光学元件504。然后，通过变形光学元件504传送的光束，在副扫描方向上聚焦时通过隔音玻璃G501传送。光束形成图像，作为在与作为光偏转器的多角镜505的偏转反射面接近的主扫描方向上加长的线图像。当光束反射到偏转反射面时，光束通过隔音玻璃G501传送，且入射在扫描透镜506上。

扫描透镜506由一个透镜形成。通过扫描透镜506传送的光束经由防尘玻璃G502发送到要扫描的表面。通过扫描透镜506的动作，在要扫描的表面508上形成光斑。

当多角镜505以恒定速度旋转时，由偏转反射面反射的光束以恒定的角速度偏转。扫描透镜506具有fθ特性。在以恒定的角速度偏转时，由进入的光束形成的光斑在要扫描的表面上朝着主扫描方向(图15中的顶和底部)以恒定速度移动。光斑以恒定速度光学地扫描要扫描的表面。

扫描透镜506是变形透镜。在副扫描方向上，多角镜505的偏转反射面的位置与要扫描的表面的位置在几何光学上是共轭关系。这使得可以校正多角镜的角误差。要扫描的表面508实际上是感光体的感光面。

将说明的是，当树脂透镜包括在光学扫描设备的光学系统中时、关于环境波动和波长波动的、朝着要扫描的表面聚焦的光束的束腰位置处的波动。为了特定的说明，耦合透镜502是玻璃透镜，且变形光学元件504和扫描透镜是树脂透镜。这些透镜说明为树脂透镜。然而，并不限于此，且可通过例如为玻璃和石英的材料形成光学衍射元件。

由温度波动引起的光束腰位置的波动的原因是随温度波动的树脂透镜本身的折射率波动、以及树脂透镜的形状的波动，因而可以考虑由于半导体激光器的波长波动引起的树脂透镜的折射率(色差)的波动。

树脂透镜的折射率通过由于温度升高导致的低密度膨涨而减少。

对于树脂透镜的形状，透镜表面的曲率随着由于温度升高导致的膨涨而降低。

半导体激光器的发射波长通常随着温度升高而偏移向长波长侧。当波长向长波长侧偏移时，树脂透镜的折射率通常向减少的一侧偏移。

换句话说，不管透镜是正或负，改变树脂透镜使屈光度的绝对值随着温度的升高而减小。

对于衍射面的衍射部分的屈光度，衍射角度与波长成比例。因此，在衍射面的衍射部分的衍射角度不管是正或负，其具有屈光度的绝对值随着波长增加而增加的趋势。

因此，例如，当在光学扫描设备的光学系统中的树脂透镜处的合成屈光度为正(或负)时，在树脂透镜处由温度波动引起的屈光度的波动以及由在衍射面的“衍射部分”的温度波动引起的屈光度的波动相互抵消。这通过使得衍射面的“衍射部分”的屈光度为正(或负)而实现。例如，可以在耦合透镜502的透镜表面上形成衍射面。或者在变形光学元件504的透镜表面上形成衍射面。

衍射面并不必须形成在平坦的表面上，且可以包括在球形或圆柱形表面上形成的衍射面。形成衍射面的基体的球形或圆柱形本身也具有屈光度。除基体本身的球形的屈光度等之外的、只由衍射面的衍射动作产生的屈光度称为衍射部分的屈光度。

为了特定的说明，将考虑的是，当光学系统中包括的树脂透镜处的屈光度和衍射面的衍射部分的屈光度均为正时环境温度上升的情况。此时，在由树脂透镜的折射率的波动引起的光束腰位置的波动量为A+B+C-D时，设置为A>0，B>0，C>0且D<0(从光偏转器分开的方向上的波动为正)，其中：A为，树脂透镜的形状的波动引起的光束腰位置的波动量；B为，由于半导体激光器的发射波长的波动导致的树脂透镜的波动而引起的光束腰位置的波动量；C为，由于半导体激光器的发射波长的波动导致的衍射面的衍射部分的屈光度波动而引起的光束腰位置的波动量；以及，D为，温度波动引起的光束腰位置的波动的总量。

当包括树脂透镜的光学系统为固定的时，C可以是固定的。因此，通过设置光学衍射元件中的衍射面处的衍射部分的屈光度，可很好地校正由温度波动引起的光束腰位置的波动量。这通过满足光束腰位置的波动量变为0的条件A+B+C-D＝0来实现。

图16和17是说明具有上述光学衍射元件的光学扫描设备的图像形成装置的实施例的示意图。

图16是给出了从副扫描方向看时图像形成装置的光学扫描设备中的光学部分的状态的示意图。换句话说，其是从作为光偏转器的多角镜505的旋转轴方向的角度看。为简化视图，以直线绘出光路。省去了用于弯曲从多角镜505到要扫描的表面(光学扫描位置)的光路上的光通路的镜。

光学扫描部分以光通量分别扫描4个要扫描的表面。

如图17所示，4个要扫描的表面实际上为光敏鼓状感光体508Y、508M、508C和508K。在这4个感光体上形成的静电潜像单独由洋红色，黄色，青色和黑色色剂显现，从而形成彩色图像。由参考标记Y，M，C和K区别黄色，洋红色，青色和黑色。

在图16中，参考标记501Y，501M，501C和501K表示作为光源的半导体激光器。配置半导体激光器501Y和501M，从而在副扫描方向(垂直于图面的方向)上重叠。半导体激光器501M由对应于洋红色图像的图像信号进行强度调制。半导体激光器501Y由对应于黄色图像的图像信号进行强度调制。相似的，配置半导体激光器501C和501K，从而在副扫描方向上重叠。半导体激光器501C由对应于青色图像的图像信号进行强度调制。半导体激光器501K由对应于黑色图像的图像信号进行强度调制。

从各个半导体激光器501Y和501M发出的光通量由耦合透镜502Y和502M(配置为在副扫描方向上重叠且输入来自每一半导体激光器的光通量)准直。然后，光通量通过孔503Y和503M(配置为在副扫描方向上重叠)，从而被塑形。光通量由在副扫描方向配置的柱状透镜504Y和504M(配置为在副扫描方向上重叠)分别聚焦在副扫描方向上，且进入多角镜505。由柱状透镜504Y和504M形成的在主扫描方向上加长的线图像形成在接近多角镜505的偏转反射面处的图像。

由多角镜505反射的光束通过各个扫描透镜506Y和506M传送。通过这些透镜的动作，在感光体508Y和508M(实际上为要扫描的表面)上形成光斑，且光学地扫描感光体508Y和508M。

类似地，从半导体激光器501C和501K发出的光通量由耦合透镜502C和502K准直。然后，光通量通过孔503C和503K从而被塑形。光通量由柱状透镜504C和504K分别聚焦在副扫描方向，且进入要偏转的多角镜505。光通量分别通过扫描透镜506C和506K。通过这些透镜的动作，在感光体508C和508K(实际上为要扫描的表面)上形成光斑，且光学地进行扫描。

在图17中，部分5020是光学扫描设备，且参照图16进行说明该部分。如图17所示，在多角镜505上侧偏转的光通量之一由光路转向镜50mM1、50mM2和50mM3弯曲的光路导引至感光体508M。其它光束由光路转向镜50mC1、50mC2和50mC3弯曲的光路导引至感光体508M。

在多角镜505下侧偏转的光通量之一由光路转向镜50mY弯曲的光路导引至感光体508Y。其它光束由光路转向镜50mK弯曲的光路导引至感光体508K。

因此，通过从4个半导体激光器501Y、501M、501C和501K发出的四个光通量，光学地扫描四个感光体508Y、508M、508C和508K。各个感光体508Y至508K在顺时针方向以恒定速度旋转。由形成充电单元的充电辊50TY、50TM、50TC和50TK均匀地对感光体508Y至508K充电。对应于各个光通量的光学扫描，分别写入黄色，洋红色，青色和黑色图像。因而，形成对应的静电潜像(负潜像)。

由显影单元50GY、50GM、50GC和50GK反向显影这些静电潜像。然后，在感光体508Y、508M、508C和508K上分别形成黄色色剂图像、洋红色色剂图像、青色色剂图像和黑色色剂图像。

每种色彩的色剂图像被转印到转印纸上，图未示。

由传送带5017传送转印纸。由转印单元5015Y从感光体508Y转印黄色色剂图像。利用转印单元5015M、5015C和5015K，顺序从感光体508M、508C和508K转印洋红色色剂图像、青色色剂图像和黑色色剂图像。

因而，在转印纸上，叠加黄色色剂图像至黑色色剂图像。因而，合成地形成彩色图像。由定影单元5019在转印纸上定影彩色图像，从而获得彩色图像。

通过对图像形成装置使用具有光学衍射元件的光学扫描设备，可以不管温度波动地获得恒定的稳定光斑直径。可实现适于高精度打印的、紧凑且低成本的图像形成装置。

图16和17中的图像形成装置的光学扫描设备5020的部分通常配置有四个光学扫描设备和图15所示的多角镜5。然而，并不限于此，4个图15所示的光学扫描设备可单独提供给每一感光体。

尽管关于特定实施例对本发明进行了完整和清楚的揭示，但所附权利要求并不因此而受限，而将解释为体现了在本发明的基本教示下本领域技术人员能想到的所有的变型和替代构造。

Claims (18)

1.一种透明的光学衍射元件，其包括：

衍射面，其由阶梯形成，其中

阶梯的宽度设置为等于用于两个或更多波长的λ₁/{n(λ₁)-1}的公倍数，其中，λ₁(i＝1，2，...)是波长，且n(λ₁)是关于波长λ₁的折射率。

2.根据权利要求1所述的光学衍射元件，其中，衍射面以衍射面的屈光度和折射面的屈光度相互抵消的方式设置的表面形状形成。

3.根据权利要求2所述的光学衍射元件，其中，衍射面以多阶梯形状形成。

4.根据权利要求2所述的光学衍射元件，其中，衍射面以与扫描面的光扫描的主扫描方向和副扫描方向中至少一个方向平行的直槽形状形成。

5.根据权利要求2所述的光学衍射元件，其中，衍射面的阶梯设置为等于λ₁/{n(λ₁)-1}的最小公倍数，其中λ₁(i＝1，2，...)是波长，且n(λ₁)是关于波长λ₁的折射率。

6.根据权利要求2所述的光学衍射元件，其中，衍射面的最大节距小于入射在衍射面上的光的光束宽度。

7.根据权利要求2所述的光学衍射元件，其中，所述光学元件是将来自光源的光耦合于之后的光学系统的耦合透镜。

8.根据权利要求2所述的光学衍射元件，其中，衍射面具有补偿由温度波动引起的预定光学系统的光学功能的波动的功能。

9.根据权利要求1所述的光学衍射元件，其中

提供多个阶梯，并且

在入射光束通过的区域，阶梯的数目等于或多于6。

10.根据权利要求9所述的光学衍射元件，其中，具有阶梯的衍射面的横截面通过折叠以阶梯深度的连续函数确定的原始形状来形成。

11.根据权利要求9所述的光学衍射元件，其中，

衍射面的横截面为梯状形状，且

衍射面的屈光度为0。

12.根据权利要求9所述的光学衍射元件，其中，

衍射面在光学衍射元件的第一表面形成，且

光学衍射元件的第二表面为平面或曲面中的一种。

13.根据权利要求9所述的光学衍射元件，其中，光学元件由树脂材料制成。

14.一种光学扫描设备，包括：

光源，用于发出光束；

光偏转器，用于偏转来自光源的光束；

第一光学系统，用于将来自光源的光束导引至光偏转器；

第二光学系统，用于将光偏转器偏转的光束形成为扫描表面上的光斑；

光扫描单元，用于光学地扫描扫描表面，其中，

第一光学系统和第二光学系统中的至少一个光学系统包括透明的光学衍射元件，

该光学衍射元件包括由阶梯形成的衍射面，

阶梯的宽度设置为等于用于两个或更多波长的λ₁/{n(λ₁)-1}的公倍数，其中，λ₁(i＝1，2，...)是波长，且n(λ₁)是关于波长λ₁的折射率，以及

衍射面以衍射面的屈光度和折射面的屈光度相互抵消的方式设置的表面形状形成。

15.根据权利要求14所述的光学扫描设备，其中

提供多个光源，每一光源发出波长λ₁(i＝1，2，...)的光，且

第一光学系统和第二光学系统导引来自光源的波长λ₁的光，且具有相同的光学特性。

16.根据权利要求14所述的光学扫描设备，其中，光学衍射元件配置在光源和光偏转器之间。

17.根据权利要求16所述的光学扫描设备，其中

光源为半导体激光器，包括由树脂材料制成的光学元件，且

光学衍射元件的衍射面以光源的波长的波动、由温度波动引起的从光源到扫描表面的所有光学元件的形状的波动、和由折射率的波动引起的在主扫描方向和副扫描方向的至少一个扫描方向上的光束腰位置的波动变为零的方式设置。

18.一种图像形成装置，包括：

图像形成单元，通过光学扫描形成图像；和

光学扫描设备，其包括：

光源，用于发出光束；

光偏转器，用于偏转来自光源的光束；

第一光学系统，用于将来自光源的光束导引至光偏转器；

第二光学系统，用于将光偏转器偏转的光束形成为扫描表面上的光斑；和

光扫描单元，用于光学地扫描扫描表面，其中，

第一光学系统和第二光学系统的至少一个光学系统包括透明的光学衍射元件，

该光学衍射元件包括由阶梯形成的衍射面，

阶梯的宽度设置为等于用于两个或更多波长的λ₁/{n(λ₁)-1}的公倍数，其中，λ₁(i＝1，2，...)是波长，且n(λ₁)是关于波长λ₁的折射率，以及

衍射面以衍射面的屈光度和折射面的屈光度相互抵消的方式设置的表面形状形成。

Images