JP2000352679A - 光走査用レンズおよび光走査装置および画像形成装置 - Google Patents
光走査用レンズおよび光走査装置および画像形成装置Info
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Abstract
えた、ポリオレフィン系樹脂による光走査用レンズを実
現する。 【解決手段】光偏向器20により偏向される光束を被走
査面40近傍に集光させる走査結像光学系に用いられる
光走査用レンズ30であって、ポリオレフィン樹脂をプ
ラスチック成形して形成され、レンズ内の、光束が通過
する領域内で、レンズ内部に存在する屈折率分布をΔn
(x)、該Δn(x)の最小値をmin[Δn(x)]とするとき、これ
らが条件:(A) 0<|Δn(x)−min[Δn(x)]|<34×10
-5を満たす。
Description
および光走査装置および画像形成装置に関する。
向器により等角速度的に偏向させ、偏向光束を走査結像
光学系により被走査面上に光スポットとして集光して、
被走査面の等速的な光走査を行なう光走査装置は、デジ
タル複写装置や、光プリンタ、レーザプロッタ、デジタ
ル製版機等の「画像形成装置」に関連して従来から広く
知られている。図1は、光走査装置の1例を説明図的に
示している。光源である半導体レーザ10から放射され
た発散性の光束は、カップリングレンズ12により以後
の光学系に適した光束形態(平行光束等)に変換され、
アパーチュア14の開口を通過して「ビーム成形」さ
れ、シリンダレンズ16により副走査方向に集束されつ
つミラー18により反射され、光偏向器である回転多面
鏡20の偏向反射面近傍に主走査方向に長く略線状に結
像する。偏向反射面により反射された光束は、回転多面
鏡20の等速回転に伴い等角速度的に偏向しつつ走査結
像光学系30に入射し、同光学系30の作用により被走
査面(実体的には、光導電性の感光体の感光面等)40
近傍に集光され、被走査面40上に光スポットを形成す
る。この光スポットにより被走査面40が主走査され
る。被走査面の実体をなす感光面が副走査方向(図面に
直交する方向)へ送られ、上記光走査が繰り返されるこ
とにより潜像の書込みが行われる。上記光スポットによ
る主走査は、走査結像光学系30の等速化特性の作用に
より等速化される。この明細書において「光走査用レン
ズ」は、上述した走査結像光学系に用いられるレンズで
ある。図1の例では、走査結像光学系30が1枚のレン
ズで構成されているが、この場合は走査結像光学系30
自体が光走査用レンズである。走査結像光学系が複数の
光学素子(複数枚のレンズやレンズと凹面鏡等)で構成
される場合には、その中に用いられる1枚もしくは複数
枚のレンズが光走査用レンズである。走査結像光学系に
用いられる光走査用レンズとして、プラスチック材料の
成形で形成されたものが使用されるようになってきてい
る。光走査用レンズをプラスチック材料の成形で形成す
る場合の問題点のひとつとして、形成された光走査用レ
ンズの内部に屈折率分布が生じる問題がある。プラスチ
ック成形では、熱溶融したプラスチック材料を金型で成
形し、金型内で冷却させるが、金型中心部に比して周辺
部の冷却が速いため、プラスチック内部に密度の不均一
な分布(冷却の速い部分の密度が、冷却の遅い部分の密
度に対して相対的に高くなる)や変成を生じ、形成され
たレンズの内部で屈折率が均一にならずに屈折率分布が
生じる。
ための図である。図2(a)は、図1に示した走査結像
光学系としての光走査用レンズ30を、光軸を含み主走
査方向に平行な面で仮想的に切断した断面における屈折
率分布を「等高線表示」した図であり、(b)は(a)
において、光軸に垂直で且つ主走査方向に平行な方向に
おける屈折率分布を示している。図2(c)は、光走査
用レンズ30を光軸を含み副走査方向に平行な面で仮想
的に切断した断面における屈折率分布を「等高線表示」
した図であり、(d)は(c)において、光軸に平行な
方向(アキシャル方向)における屈折率の分布を示し、
(e)は(c)において、光軸に垂直で且つ副走査方向
に平行な方向における屈折率分布を示している。図2
(b),(d),(e)に示すように、プラスチック成
形されたレンズ内部の屈折率分布は、通常、レンズ中央
部よりもレンズ周辺部で高くなる。一般に、光走査用レ
ンズの内部に屈折率分布があると、実際の光学特性は
「レンズ内の屈折率を均一として設計された光走査用レ
ンズの設計上の光学特性」と若干異なったものとなる。
例えば、光走査用レンズが正のパワーを持つ場合、平均
的に見て、レンズ中心部に比べて周辺部の屈折率が高く
なるので、このような屈折率分布は、被走査面上に集光
すべき光スポットの実際の集光位置を「設計上の位置よ
りも光偏向器から遠ざかる方向にずらす」ように作用す
る。被走査面の有効走査領域を光走査する光スポット径
は、光走査用レンズの像面湾曲に応じて像高と共に変化
するが、レンズ内に上記の如き屈折率分布があると、屈
折率分布の影響によっても変化することになる。図4に
おいて、縦軸は光スポット径を示し、横軸はデフォーカ
ス量(光スポットの結像位置(集光位置)と被走査面位
置の差)を示している。縦軸は被走査面としての感光体
面と合致している。光走査用レンズ内部に屈折率分布が
なく「屈折率がいたるところ均一」であるとき、デフォ
ーカス量と光スポット径の関係は破線で示すように、被
走査面位置(デフォーカス量:0の位置、実際は感光体
面)で光スポット径が最小になるが、屈折率分布が存在
すると、デフォーカス量と光スポット径の関係は「実線
で示す」ようになり、被走査面上における光スポット径
は「ビーム太り」により設計上の大きさ(破線と縦軸の
交点)よりも大きくなってしまう。
は、主として、アクリル系樹脂、PC(ポリカーボネー
ト)、ポリオレフィン系樹脂が知られている。アクリル
系樹脂にはPMMAと脂環状アクリルとがあり、ポリオ
レフィン系樹脂には通常ポリオレフィンと脂環状ポリオ
レフィンとがある。これらの樹脂の光学特性を一覧にす
ると以下の如くになる。なお、脂環状アクリルを「脂環
状A」と、通常ポリオレフィンを「PO」、脂環状ポリ
オレフィンを「脂環状PO」と略記した。 PMMA 脂環状A PC PO 脂環状PO 屈折率 1.49 1.50 1.58 1.47 1.51〜1.54 アッベ数 58 56〜57 31 61 54〜57 透過率(%) 94 93〜94 92 90 91〜92 光弾性定数 -6 -0.8〜-0.3 90 − 4〜8 飽和吸湿率(%) 2.0 1.0 0.4 0.1 0.1〜0.5 屈折率分布 ○ ○ ○ − × 成形収縮率(%) 0.3〜0.5 0.3〜0.5 0.4〜0.6 1.5〜3 0.7〜0.9 上記光弾性定数は「10― 13cm2/dyne」を単位として示している。
スチック成形で形成されたレンズの複屈折の大小の目安
の1つとすることができる。アクリル系樹脂は複屈折
(光弾性定数)が小さいが吸湿率が高いため、環境の変
化に伴い、特に面精度が劣化し易いという問題を有して
いる。PC(ポリカーボネート)は高屈折率で吸湿率も
小さいが、光弾性定数が著しく大きいため複屈折が発生
し易く、透過光束の波面収差が劣化しやすいという問題
を有する。ポリオレフィン系樹脂は、吸湿率も小さく、
複屈折特性にも優れている。このため、近来、光走査用
レンズの材料としてポリオレフィン系樹脂の使用が意図
されている。しかしながら、ポリオレフィン系樹脂は成
形収縮率が他のプラスチック材料に比して大きいため、
成形がやや難しく、成形圧・成形温度等の成形条件が最
適化されなければ屈折率分布を生じやすいという問題が
ある。
布を光学特性上問題のないレベルに抑えた光走査用レン
ズの提供を課題とする。また、上記光走査用レンズを用
いた光走査装置、該光走査装置を用いた画像形成装置の
提供を課題とする。
ズは「光偏向器により偏向される光束を被走査面近傍に
集光させる走査結像光学系に用いられる光走査用レン
ズ」である。「走査結像光学系」は前述の如く、光偏向
器により偏向される光束を被走査面近傍に集光させる光
学系であり、1枚のレンズとして構成することも、複数
枚のレンズとして構成することも、1枚以上のレンズと
結像機能を持つ鏡面(凹面・凸面)との組合せとして構
成することもできる。「光走査用レンズ」は、走査結像
光学系の構成要素として用いられるレンズであり、走査
結像光学系中に1枚以上が配備される。走査結像光学系
が1枚のレンズで構成される場合には、光走査用レンズ
自体が走査結像光学系である。光走査用レンズは、「ポ
リオレフィン樹脂をプラスチック成形」して形成され
る。請求項1記載の光走査用レンズは、レンズ内の、光
束が通過する領域内で、レンズ内部に存在する屈折率分
布をΔn(x)、このΔn(x)の最小値をmin[Δn(x)]とす
るとき、これらが条件: (A) 0<|Δn(x)−min[Δn(x)]|<34×10― 5 を満たすことを特徴とする。上記「レンズ内の、光束が
通過する領域内」とは、光偏向器により偏向された光束
が、偏向に伴い、光走査用レンズを通過する領域であ
る。
内の、光束が通過する領域内のうち、光束中心から約±
1mmの範囲において、レンズ内部に存在する屈折率分
布をΔn(x)とするとき、このΔn(x)を「2次の最小自
乗近似で近似」するときの2次の係数:Δnが条件: (B) 0<|Δn|<8.5×10― 5 を満たすことを特徴とする。請求項3記載の光走査用レ
ンズは、レンズ内の、光束が通過する領域内で、レンズ
内部に存在する屈折率分布をΔn(x)、このΔn(x)の最
小値をmin[Δn(x)]とするとき、これらが条件: (A) 0<|Δn(x)−min[Δn(x)]|<34×10― 5 を満たし、且つ、上記光束が通過する領域内のうち、光
束中心から約±1mmの範囲において、レンズ内部に存
在する屈折率分布をΔn(x)とするとき、このΔn(x)を
2次の最小自乗近似で近似するときの2次の係数:Δn
が、条件: (B) 0<|Δn|<8.5×10-5 を満たすことを特徴とする。請求項4記載の光走査用レ
ンズは、レンズ内の、光束が通過する領域内で、レンズ
内部に存在する屈折率分布をΔn(x)、このΔn(x)の最
小値をmin[Δn(x)]とするとき、これらが条件: (C) 0.4×10-5<|Δn(x)−min[Δn(x)]|<16×10
-5 を満たすことを特徴とする。請求項5記載の光走査用レ
ンズは、レンズ内の、光束が通過する領域内のうち、光
束中心から約±1mmの範囲において、レンズ内部に存
在する屈折率分布をΔn(x)とするとき、このΔn(x)を
2次の最小自乗近似で近似するときの2次の係数:Δn
が、条件: (D) 0.1×10-5<|Δn|<4.0×10-5 を満たすことを特徴とする。請求項6記載の光走査用レ
ンズは、レンズ内の、光束が通過する領域内で、レンズ
内部に存在する屈折率分布をΔn(x)、このΔn(x)の最
小値をmin[Δn(x)]とするとき、これらが条件: (C) 0.4×10-5<|Δn(x)−min[Δn(x)]|<16×10
-5 を満たし、且つ、上記光束が通過する領域内のうち、光
束中心から約±1mmの範囲において、レンズ内部に存
在する屈折率分布をΔn(x)とするとき、このΔn(x)を
2次の最小自乗近似で近似するときの2次の係数:Δn
が、条件: (D) 0.1×10-5<|Δn|<4.0×10-5 を満たすことを特徴とする。上記請求項1〜6の任意の
1に記載の発明において、走査結像光学系が複数のレン
ズを含む場合、複数のレンズの内、光走査用レンズ以外
のレンズとして、PCやアクリル系樹脂によるレンズ、
ガラスレンズ等を走査結像光学系中に含めることができ
る。
を偏向させ、偏向光束を走査結像光学系により被走査面
上に光スポットとして集光して、被走査面の光走査を行
なう光走査装置」である。「光源」としては、公知の各
種のものを用いることができるが、特に半導体レーザを
好適に使用することができる。請求項7記載の光走査装
置は、走査結像光学系に用いられる光走査用レンズとし
て、請求項1または2または3に記載の光走査用レンズ
が搭載されたことを特徴とする。請求項8記載の光走査
装置は、走査結像光学系に用いられる光走査用レンズと
して、請求項4または5または6に記載の光走査用レン
ズが搭載されたことを特徴とする。上記請求項7または
8記載の光走査装置において、光源からの光束を偏向す
る光偏向器を「偏向反射面を有し光束を等角速度的に偏
向」させるものとし、光走査用レンズを「被走査面の走
査を等速化する機能を有する」ものとすることができる
(請求項9)。上記「光偏向器」としては、回転多面鏡
をはじめ、回転2面鏡や回転単面鏡を好適に使用でき
る。この請求項9記載の光走査装置においては、光源か
らの光束を光偏向器の偏向反射面近傍に、主走査方向に
長く略線状に結像させるようにすることができる(請求
項10)。例えば、光源からの光束をカップリングレン
ズにより以後の光学系に適した光束形態(平行光束や集
束光束、発散光束の何れの形態も可能である)に変換
し、カップリングレンズによりカップリングされた光束
を、シリンダレンズ等の線像結像光学系により、光偏向
器の偏向反射面近傍に、主走査方向に長い線像として結
像させることができる。このようにすれば、光偏向器の
面倒れを補正できる。この発明の画像形成装置は「潜像
担持体の感光面に対して光走査を行うことにより潜像を
形成し、潜像を現像して可視化する画像形成装置」であ
る。請求項11記載の画像形成装置は、潜像担持体の感
光面を被走査面として光走査を行う光走査装置として、
請求項7記載の光走査装置が搭載されたことを特徴とす
る。請求項12記載の画像形成装置は、潜像担持体の感
光面を被走査面として光走査を行う光走査装置として、
請求項8記載の光走査装置が搭載されたことを特徴とす
る。上記請求項11または12記載の画像形成装置にお
いて、潜像担持体の感光面を被走査面として光走査を行
う光走査装置として、請求項9または10記載の光走査
装置を搭載することができる(請求項13)。「潜像担
持体」としては、例えば、原版用の銀塩フィルムを用い
ることができる。この場合には、形成された潜像に対
し、銀塩写真プロセスの現像・定着を行うことにより画
像を得ることができる。この場合の画像形成装置は「デ
ジタル製版機」である。請求項11または12または1
3記載の画像形成装置は、「潜像担持体を光導電性の感
光体とし、感光面を均一に帯電したのち、光走査により
静電潜像を形成し、形成された静電潜像を現像してトナ
ー画像を得、得られるトナー画像をシート状の記録媒体
に転写・定着して画像を得る装置」とすることができる
(請求項14)。この場合には、画像形成装置は「デジ
タル複写機や光プリンタ、レーザプロッタ、ファクシミ
リ装置等」である。上記シート状の記録媒体としては、
転写紙やオーバヘッドプロジェクタ用のプラスチックシ
ート等を用いることができる。トナー画像をシート状の
記録媒体に転写するのは、感光体上から記録媒体に直接
に転写しても良いし、中間転写ベルト等の中間転写媒体
を介して転写しても良い。
る。上の説明における屈折率分布:Δn(x) は、図2
(c)に示すように、光走査用レンズ(30)を、光軸
と副走査方向とに平行な「xy断面」における「2次元
の絶対屈折率」の値を、y軸方向に平均化し、x軸方向
に対する1次元の相対屈折率として表現したものと定義
する(図2(e)参照)。「レンズ内の、光束が通過する
領域内」は、前述したように、光偏向器により偏向され
た光束が「偏向に伴い光走査用レンズを通過する領域」
であるが、より詳細には、主走査方向に関しては「被走
査面上の有効書込幅に対応して、レンズ上での偏向光束
が通過する範囲」を言い、副走査方向に対しては「光源
の射出角のぶれや、偏光器の面倒れを考慮すると±2m
m程度」とすることが望ましい。図2(c)に示すよう
に、光軸に平行な方向をy方向、副走査方向に平行な方
向をx方向とする。また、図2に示されていないが、主
走査方向に平行な方向をz方向とする。主走査方向の任
意の位置でz方向に直交する平面をとり、この平面内に
おける絶対屈折率:nをn(x,y)と表す。絶対屈折
率:n(x,y)の光軸に平行なy方向の平均は、X方
向におけるレンズの肉厚をd(x)として、 演算:[∫n(x,y)dy]/d(x) で演算される。積分は、レンズの肉厚:d(x)にわたっ
て行う。上記演算の結果に対し「適当な基準値」を設定
し、この設置値と上記演算結果との差を取ると、上記
「光軸と副走査方向に平行なxy断面における2次元の
絶対屈折率の値を、y軸方向に平均化し、x軸方向に対
する1次元の相対屈折率として表現したもの」が得られ
る。これが屈折率分布:Δn(x)である。前述した図2
(e)に示されているのは、このΔn(x)である。条
件式(C)におけるΔn(x)、min[Δn(x)]の意味も上
と同様である。
「屈折率分布:Δn(x)を求める方法」を説明する。図
5は、マッハツェンダ型の干渉計を基本構成とする屈折
率分布測定装置を説明図的に示している。可干渉性の光
であるレーザ光束が、レーザ光源1から放射され、ビー
ムエキスパンダ3により光束径を拡大された平行光束と
なり、ビームスプリッタ5に入射する。ビームスプリッ
タ5は入射してくるレーザ光束を2分割する。即ち、ビ
ームスプリッタ5によって直角に曲げられて参照波aと
なるレーザ光束と、ビームスプリッタ5を直進的に透過
して反射ミラー9に反射された後、被検物Aとしての位
相物体を透過して被検波bとなる他方のレーザ光束とに
分割される。参照波aと被検波bとは、それぞれの強度
が略1:1となるように分割される。反射ミラー7はピ
エゾ素子等による電気・位置変位変換素子19により支
持され、位相シフト法による干渉縞解析を行うため、参
照波aの光路長を波長のオーダで変更できるように配置
されている。参照波aは反射ミラー7で反射されてビー
ムスプリッタ11に達する。被検波bは反射ミラー9で
反射され、被検物Aを透過してビームスプリッタ11に
達する。ビームスプリッタ11は参照波aと被検波bを
合流させて合流光束とし、この合流光束を2分割する。
電気・位置変位変換素子19は、合流される参照波aと
被検波bの光路長間に「mを整数としてmπ/2の位相
差」ができるように調整される。ビームスプリッタ11
で分割された一方の合流光束は、結像レンズ13に入射
し、干渉縞検出器15の撮像面に(参照波aと被検波b
との)干渉縞を結像する。干渉縞検出器15としては、
リニアCCDやアレイ状のセンサを用いる。ビームスプ
リッタ11で分割された他方の合流光束は、結像レンズ
31を経てモニター用のCCDカメラ23の撮像面に干
渉縞を結像する。被検物Aの屈折率は空気の屈折率とは
かなり相違しており、被検物Aの入射側面と射出側面と
が平行でない限り、被検物Aを透過した被検波bは、被
検物Aの形状に応じて不規則に収束・発散する。干渉縞
検出器15の受光面上で干渉縞を結像させるには、被検
波bは「略平行な光束」となっていなければならない。
そこで、被検物Aの形状に拘らず、被検物Aを透過した
被検波bが略平行な光束となるようにするため以下のよ
うにする。即ち、被検物Aを、被検波bの光路上に設け
られたセル21内に設置し、セル21内に「屈折率を被
検物Aの屈折率と略等しく調合され」た試液Bを満た
す。セル21の両端、即ち、被検波bの入射窓25と射
出窓27は互いに平行で、それぞれに面精度が高いオプ
チカルフラット28,29が取り付けられ、セル内は液
密にシールドされる。従って、被検物Aと試液Bで充填
されたセル21は、全体として均一な屈折率の物体とな
り、入射面と射出面とが平行なので、セル21内を透過
した被検波bは略平行な光束となって射出される。この
とき、被検物A内の屈折率の分布が不均一な分布を持つ
と、セル21から射出した被検波bの波面は「屈折率分
布に応じた曲面形状」となる。干渉縞検出器15の受光
面に結像する干渉縞は、上記曲面形状の検出波bと平面
波である参照波aとの干渉により生じるものであり、こ
れを周知の干渉縞解析により、被検波bの曲面形状を測
定することができる。干渉縞像は干渉縞検出器15で検
出され、光電変換されて電気的な画像信号となり、A/
D変換器33でデジタル信号化されて演算装置17に入
力される。演算装置17は、干渉縞像の解析によって透
過波面(被検波bの波面形状)の計測演算を行う透過波
面計測部35を含んでいる。即ち、この演算装置17は
パーソナルコンピュータ等「CPUを有し、ハードディ
スク等にインストールされたプログラムにしたがって各
種の演算処理を行うもの」である。
分布は以下の如くに計測される。被検物Aとして光走査
用レンズをセル21内にセットし、レーザ光源1からの
コヒーレント光を照射して、前述の如く干渉縞検出器1
5上に干渉縞像を結像させる。干渉縞検出器15が出力
する干渉縞像の画像信号を演算処理装置17に取り込
み、演算処理装置内部の透過波面計測部35により「干
渉縞像の解析」を行い、透過波面:WF(x)を計測す
る。干渉縞検出器15のリニアCCDの方向は、光走査
用レンズに関して先に説明したx方向(副走査方向)に
対応させる。被検物である光走査用レンズの光軸方向の
肉厚:d(x)は、光走査用レンズの設計データや汎用測
定機による測定データ等により予め求めておく。上記の
如く、干渉縞検出器15のリニアCCDの出力に基づ
き、透過波面計測部18により透過波面:WF(x)を計
測したら、リニアCCDの任意の位置をx=0として基
準の透過波面:WF(0)を求め、次式によりΔn(x)を
算出する。 Δn(x)={WF(x)−WF(0)}・λ/d(x) このようにして、任意の測定断面について屈折率分布:
Δn(x)を算出することができる。主走査方向の屈折率
分布は、副走査方向に比して変化が小さいことから、特
定の数段面(例えば、中央と周辺等)について測定する
ことにより、レンズ全体の屈折率分布を把握することが
できる。量産品のように成形条件が安定しているもので
あれば、中央などの1断面で全体の屈折率分布を代表さ
せてもよい。測定断面の変更は、リニアCCDと被検レ
ンズとの位置関係を、z方向へ相対的に変位させること
により行うことができる。この測定方法は特開平11−
044641号公報により既に知られている。上述の測
定方式で、Δn(x)は「光軸方向の厚み方向に積算され
た透過波面」から算出される。従って、図2(d)に示
すような「光軸方向の屈折率の分布状態」は把握できな
いが、それを光軸方向に積算した平均的なデータ:Δn
(x)でも、光走査用レンズの光学特性を把握するには十
分である。またΔn(x)は1次元であるため評価項目と
して管理し易い利点がある。上の式で、Δn(x)はxの
みの関数であるが、2次元計測も可能である。
似で次のように展開できる。 Δn(x)≒n0+n1・x+n2・x2+n3・x3 (1) そして、各係数n0,n1,n2,………nm(最高次のm
次の項の係数)を求めれば、x軸上の位置の座標:xの
位置における屈折率分布を直ちに求めることができる。
上記多項式の次数は任意であるが、この発明では2次ま
でをとり、以下の式で表す。
次の係数:Δn」である。1次の係数は光学的な影響が
小さいので無視することができる。δ(x)は2次近似に
伴う残差で微小量である。従って、 Δn(x)≒n0+Δn・x2 (3) が得られる。この式における係数:Δnは最小自乗法で
決定される。
「レンズパワー」として働く。レンズ上のビーム光束は
一般的に1mm程度であるため、Δnを算出する際のx
の範囲を、ここでは±1mmとする。2次係数:Δn
の、レンズ作用に及ぼす影響を図3を参照して説明す
る。図3において、符号LNはレンズ、符号E,Fはそ
の前側および後側主点、符号Pは物点、符号Qは物点を
示す。記号:fはレンズLNの設計上の焦点距離、記
号:S,S’は設計上の物体距離および像距離である。
上述の如く、屈折率分布は「レンズの作用をする」とみ
なせるので「屈折率分布に等価なレンズ」を考えれば、
その等価なレンズの焦点距離:f′とΔn、レンズ肉
厚:tの関係は次式で表すことができる。
る場合も含み、その場合のtは「各光走査用レンズの肉
厚の和」である。屈折率分布を持つレンズの焦点距離
は、屈折率分布の無い本来の焦点距離:fを持つレンズ
と、焦点距離:f′のレンズの合成系の焦点距離とな
り、焦点距離変化:Δfは近似的に、 Δf≒f2/f′ (5) で表すことができる。屈折率分布による結像位置ずれ:
ΔS′は、薄肉レンズの近軸結像公式:(1/S'=1/S+1/
f)を用いて次式のように表すことができる。 ΔS′≒{S/(S+f)}2・Δf={f・S/(S+f)}2/f′ =(S′)2・(2・Δn・t) (6) 光偏向器の偏向面から被走査面までの距離を、図1に示
すようにLとし、走査レンズ30の横倍率をβとする
と、(6)式は近似的に次のように表せる。 ΔS′≒{β/(β―1)・L}2・(2・Δn・t) (7) (7)式を用いると、デフォーカス量:ΔS’は、光走
査用レンズにおける上記「△n」から演算で求めること
ができる。
度のピーク値の1/e2となる強度の径)に対する±10
%の範囲でのデフォーカス許容度として定義すると、理
論的な深度余裕:wは、光スポット径:d、波長:λを
用いて、次の(8)式で与えられる。 w≒1.487×d2/λ (8) この深度余裕:wの範囲内に結像位置ずれ:ΔS′を抑
えることができれば、被走査面上に安定した光スポット
径を得ることができる。即ち、 w≧ΔS′ (9) を満足するようなレンズとして光走査用レンズを作製す
ればよい(9)式を用いると、光スポット径の変動を許
容範囲に抑えるために「Δnがどの程度の大きさである
べきか」を判断できる。Δnの大きさの程度に応じて、
屈折率分布:Δn(x)が定まるのであるから、屈折率分
布:Δn(x)を所定の範囲内に抑えることにより良好な
光スポット径を実現できる。
形態として説明する。光走査用レンズ30は設計的には
「使用条件に応じて最適化」されているものとする。図
1の光走査装置において、ねらいとする光スポット径:
d=70μm、光源である半導体レーザの波長:λ=4
00nmとすると、この場合の深度余裕:wは(8)式
によりw=18.2mmとなる。光走査用レンズ30
を、光路長:L=200mm、横倍率:β=−1.0、
レンズ肉厚:t=10mm、ビーム有効径:±2mmで
使用する場合、許容度を(9)式により逆算すると、Δ
nは、9.1×10-5以下となるべきことがわかる。他
の場合として、ねらいとする光スポット径:d=90μ
m、半導体レーザの波長:λ=650nmとすると、深
度余裕:w=18.5mmとなる。この場合に、光走査
用レンズ30を、光路長:L=200mm、横倍率:β
=−0.5、レンズ肉厚:t=20mm、ビーム有効
径:±2mmで使用する場合、許容度に適合するΔnは
10.4×10-5以下となるべきことがわかる。レンズ
形状(曲率半径や肉厚や屈折率)や取付け精度は、設計
値に対し、加工上ずれるのが実情である。「レンズ形状
のずれ」の許容値は深度余裕に対して1〜2割以内に設
定されることが好ましい。従って、屈折率分布の2次係
数:Δnは、 (B) 0<|Δn|<8.5×10-5 を満たす必要がある。副走査方向に±2mmの範囲内
で、レンズ内部に存在する屈折率の不均一性を屈折率分
布:Δn(x)、その最小値をmin[Δn(x)]とすると、
「レンズ形状のずれ」の許容値以内となるためには、こ
れらは、 (3) Δn(x)≒n0+Δn・x2 において、Δn=8.5×10-5、x=2を代入して、 (A) 0<|Δn(x)-min[Δn(x)]|<34×10-5 を満たす必要があることが分かる。|Δn(x)−min[Δn
(x)]|≧34×10-5となると、レンズの大きさや形状にか
かわらず、光学特性は低下してしまう。さらに、実用的
見地からすると、 (D) 0.1×10-5<|Δn|<4.0×10-5 (C) 0.4×10-5<|Δn(x)−min[Δn(x)]|<16×10
-5 を満たすことが好ましい。|Δn|が上限値:4.0×10
-5を超えて大きくなると、使用波長:λを限定したり、
光学倍率:|β|を小さくする必要があり、光学設計上
の制約が厳しくなる。また、下限値:0.1×10-5を超え
て小さくなると、測定による誤差を無視できなくなるば
かりでなく、成形に要する冷却時間が長くなり、生産性
が低下し、コストアップの原因となる。光走査用レンズ
内部の屈折率分布を上述の如き方法で非破壊で測定でき
れば、実際に光学特性の測定を行わなくても、ポリオレ
フィン系樹脂による光走査用レンズの光学特性の良否を
判断することが可能となる。
0と被走査面40との間の光路長:L=200mmと
し、光走査用レンズ30はレンズ厚:t=10mm、横
倍率:β=−1.0の条件で最適設計される。上記光走
査用レンズを、ポリオレフィン系樹脂(通常ポリオレフ
ィン)のプラスチック成形で形成するにあたり、成形条
件を5通りに変えて、サンプル:S1〜S5を作製し
た。これらサンプル:S1〜S5に対し、屈折率分布:
Δn(x)を測定した結果を図6〜図10に示す。図6〜
図10において、縦軸の屈折率分布:Δn(x)は、Δn
(x)の基準値を0として表している。横軸の「短手方
向」とあるのは、光走査用レンズの副走査方向、即ち上
述のx方向であり、横軸の上下限の±2mmは「副走査
方向における光束の通過する領域」である。図7と図9
には、屈折率分布:Δn(x)を3種示している。これら
は「レンズ高さ」が互いに異なる。図中の「高さ」は、
Δn(x)の測定を行う平面の主走査方向の位置を、光軸
位置を0とし表している。即ち、図7,9において示さ
れている3種の屈折率分布:Δn(x)は、光軸位置を0
として、主走査方向にz=0,25mm,50mmの各
位値における屈折率分布である。
が通過する領域内(主走査方向につき±50mm、副走
査方向につき±2mmの範囲内)での、前記の「|Δn
(x)−min[Δn(x)]|」と、Δn(x)を±1mmの範囲内
で2次式で展開した2次の係数:△nはそれぞれ、以下
の如くである。 サンプル:S1 |Δn(x)−min[Δn(x)]|≦53.9×10-5,△n≦10.3×1
0-5 [1/mm2] サンプル:S2 |Δn(x)−min[Δn(x)]|≦ 2.1×10-5,△n≦0.5×10
-5 [1/mm2] サンプル:S3 |Δn(x)−min[Δn(x)]|≦29.7×10-5,△n≦8.3×10
-5 [1/mm2] サンプル:S4 |Δn(x)−min[Δn(x)]|≦13.8×10-5,△n≦3.8×10
-5 [1/mm2] サンプル:S5 |Δn(x)−min[Δn(x)]|≦ 0.47×10-5,△n≦−0.2
×10-5 [1/mm2] 前述の如く、光走査用レンズ30は、光路長:L=20
0mm、横倍率:β=−1.0、レンズ厚:t=10m
mの条件で最適設計されるが、レンズ内部の屈折率分布
によって生じるデフォーカス量は(4)式により、サン
プル:S1:206mm,サンプル:S2:1.0mm,サン
プル:S3:16.6mm,サンプル:S4:7.6mm,サ
ンプル:S5:−0.4mmと求められる。これらを前述
の深度余裕:w(ねらいとする光スポット径:d=70
μm、半導体レーザの波長:λ=400nmのとき、w
=18.2mm。ねらいとする光スポット径:d=90
μm、半導体レーザの波長:λ=650nmのとき、w
=18.5mm)と比較すると、サンプル:S1はデフ
ォーカス量が深度余裕よりも大きいので光走査用レンズ
として不合格であるが、サンプル:S2〜S5は何れも
デフォーカス量が深度余裕内に抑えられているので光走
査用レンズとして使用可能である。なお、実際にビーム
径を測定して深度余裕を測定した結果も、上記計算結果
と同様の結果となり、計算結果の正しさを裏付けてい
る。
ンプル:S5が最も良好であるが、各サンプルは、型温
度、保圧、成形時間などの違いで製造コストも異なるの
で、どれがよいかは、それらを総合的に判断して決定す
べきである。
らにおける深度余裕:wとΔnの算出結果を以下に示
す。 波長の長い安価なレーザー使用した光学系 d=90μm,λ=780nm,L=175mm,β=−2.3,t
=13.5mmの場合w=15.4mmで、Δn=3.8×10-5従
って、サンプル:S2,S4,S5が合格 狙いのビーム径が小さい光学系 d=55μm,λ=650nm,L=226mm,β=−1.1,t
=18mmの場合、w=6.9mmで、Δn=1.4×10-5従っ
て、サンプル:S2,S5が合格 走査幅が広くて、偏光面から感光体までの距離:Lを
長くとる必要がある光学系 d=65μm,λ=655nm,L=307mm,β=―1.5,t
=31.4mm場合、w=9.6mmで、Δn=0.45×10-5従
って、サンプルEが合格 狙いのビーム径が非常に小さく、かつ光学系走査幅が
広く、偏光面から感光体までの距離:Lを長くとる必要
がある光学系 d=30μm,λ=650nm,L=300mm,β=−1.1,t
=39mm場合、w=2.1mmで、Δn=0.11×10-5 従って、いずれのサンプルも不合格である。この場合
は、サンプル:S5よりもさらに屈折率分布の小さい、
プラスチックレンズを成形品を選択する必要がある。こ
のように光学系設計にある程度の制約条件が加わる場
合、以下の条件が満足されることが望ましい。
定されるものではない。
肉厚に対してノーマライズされているので、レンズが複
数の場合でもレンズ単品ごとに適応されることはいうま
でもない。
1形態を説明する。図10は上記1形態であるレーザプ
リンタを略示している。レーザプリンタ100は像担持
体111として「円筒状に形成された光導電性の感光
体」を有している。像担持体111の周囲には、帯電手
段としての帯電ローラ112、現像装置113、転写ロ
ーラ114、クリーニング装置115が配備されてい
る。この実施の形態では「帯電手段」として、オゾン発
生の少ない接触式の帯電ローラ112を用いているが、
コロナ放電を利用するコロナチャージャを帯電手段とし
て用いることもできる。また、光走査装置117が設け
られ、帯電ローラ112と現像装置113との間で「レ
ーザビームLBの光走査による露光」を行うようになっ
ている。図1において、符号116は定着装置、符号1
18はカセット、符号119はレジストローラ対、符号
120は給紙コロ、符号121は搬送路、符号122は
排紙ローラ対、符号123はトレイを示している。画像
形成を行うときは、光導電性の感光体である像担持体1
11が時計回りに等速回転され、その表面が帯電ローラ
112により均一に帯電され、光走査装置117のレー
ザビームによる光書込による露光により静電潜像が形成
される。形成された静電潜像は所謂「ネガ潜像」であっ
て画像部が露光されている。この静電潜像は現像装置1
13により反転現像され、像担持体111上にトナー画
像が形成される。転写紙を収納したカセット118は画
像形成装置100本体に着脱可能で、図のごとく装着さ
れた状態において、収納された転写紙の最上位の1枚が
給紙コロ120により給紙される。給紙された転写紙
は、その先端部をレジストローラ対119に銜えられ
る。レジストローラ対119は、像担持体111上のト
ナー画像が転写位置へ移動するのにタイミングをあわせ
て転写紙を転写部へ送りこむ。送りこまれた転写紙は、
転写部においてトナー画像と重ね合わせられ、転写ロー
ラ114の作用によりトナー画像を静電転写される。ト
ナー画像を転写された転写紙は定着装置116でトナー
画像を定着されたのち、搬送路21を通り、排紙ローラ
対122によりトレイ123上に排出される。トナー画
像が転写されたのち、像担持体111の表面はクリーニ
ング装置115によりクリーニングされ、残留トナーや
紙粉等が除去される。
明した如きものが用いられ、その光走査用レンズ30と
しては上に説明したポリオレフィン系樹脂のプラスチッ
ク成形で形成され、条件:(A)および/または
(B)、あるいは条件:(C)および/または(d)を
満足するものが搭載される。
ば新規な光走査用レンズ、光走査装置、画像形成装置を
実現できる。この発明の光走査用レンズは、吸湿性・複
屈折特性に優れたポリオレフィン系樹脂で形成され、内
部の屈折率分布が有効に抑制されているので、良好な光
学特性を有し、温・湿度等の環境変化の影響を受けにく
い。また、この発明の光走査装置は、上記光走査用レン
ズを用いることにより、環境変動に影響されにくく、常
時良好な光走査を実現できる。この発明の画像形成装置
は、上記光走査装置を搭載されることにより、常に良好
な画像形成を実現できる。
るための図である。
めの図である。
化を説明するための図である。
ム太り)を説明するための図である。
めの図である。
示す図である。
示す図である。
示す図である。
示す図である。
を示す図である。
明するための図である。
Claims (14)
- 【請求項1】光偏向器により偏向される光束を被走査面
近傍に集光させる走査結像光学系に用いられる光走査用
レンズであって、 ポリオレフィン樹脂をプラスチック成形して形成され、 レンズ内の、光束が通過する領域内で、レンズ内部に存
在する屈折率分布をΔn(x)、該Δn(x)の最小値をmin
[Δn(x)]とするとき、これらが条件: (A) 0<|Δn(x)−min[Δn(x)]|<34×10― 5 を満たすことを特徴とする光走査用レンズ。 - 【請求項2】光偏向器により偏向される光束を被走査面
近傍に集光させる走査結像光学系に用いられる光走査用
レンズであって、 ポリオレフィン樹脂をプラスチック成形して形成され、 レンズ内の、光束が通過する領域内のうち、光束中心か
ら約±1mmの範囲において、レンズ内部に存在する屈
折率分布をΔn(x)とするとき、該Δn(x)を2次の最小
自乗近似で近似するときの2次の係数:Δnが条件: (B) 0<|Δn|<8.5×10― 5 を満たすことを特徴とする光走査用レンズ。 - 【請求項3】請求項1記載の光走査用レンズにおいて、 レンズ内の、光束が通過する領域内のうち、光束中心か
ら約±1mmの範囲において、レンズ内部に存在する屈
折率分布をΔn(x)とするとき、該Δn(x)を2次の最小
自乗近似で近似するときの2次の係数:Δnが、条件: (B) 0<|Δn|<8.5×10― 5 を満たすことを特徴とする光走査用レンズ。 - 【請求項4】光偏向器により偏向される光束を被走査面
近傍に集光させる走査結像光学系に用いられる光走査用
レンズであって、 ポリオレフィン樹脂をプラスチック成形して形成され、 レンズ内の、光束が通過する領域内で、レンズ内部に存
在する屈折率分布をΔn(x)、該Δn(x)の最小値をmin
[Δn(x)]とするとき、これらが条件: (C) 0.4×10-5<|Δn(x)−min[Δn(x)]|<16×10
-5 を満たすことを特徴とする光走査用レンズ。 - 【請求項5】光偏向器により偏向される光束を被走査面
近傍に集光させる走査結像光学系に用いられる光走査用
レンズであって、 ポリオレフィン樹脂をプラスチック成形して形成され、 レンズ内の、光束が通過する領域内のうち、光束中心か
ら約±1mmの範囲において、レンズ内部に存在する屈
折率分布をΔn(x)とするとき、該Δn(x)を2次の最小
自乗近似で近似するときの2次の係数:Δnが、条件: (D) 0.1×10-5<|Δn|<4.0×10-5 を満たすことを特徴とする光走査用レンズ。 - 【請求項6】請求項4記載の光走査用レンズにおいて、 レンズ内の、光束が通過する領域内のうち、光束中心か
ら約±1mmの範囲において、レンズ内部に存在する屈
折率分布をΔn(x)とするとき、該Δn(x)を2次の最小
自乗近似で近似するときの2次の係数:Δnが、条件: (D) 0.1×10-5<|Δn|<4.0×10-5 を満たすことを特徴とする光走査用レンズ。 - 【請求項7】光源からの光束を偏向させ、偏向光束を走
査結像光学系により被走査面上に光スポットとして集光
して、上記被走査面の光走査を行なう光走査装置におい
て、 走査結像光学系に用いられる光走査用レンズとして、請
求項1または2または3に記載の光走査用レンズが搭載
されたことを特徴とする光走査装置。 - 【請求項8】光源からの光束を偏向させ、偏向光束を走
査結像光学系により被走査面上に光スポットとして集光
して、上記被走査面の光走査を行なう光走査装置におい
て、 走査結像光学系に用いられる光走査用レンズとして、請
求項4または5または6に記載の光走査用レンズが搭載
されたことを特徴とする光走査装置。 - 【請求項9】請求項7または8の光走査装置において、 光源からの光束を偏向する光偏向器は、偏向反射面を有
し光束を等角速度的に偏向させ、光走査用レンズは、被
走査面の走査を等速化する機能を有することを特徴とす
る光走査装置。 - 【請求項10】請求項9記載の光走査装置において、 光源からの光束が、光偏向器の偏向反射面近傍に主走査
方向に長く略線状に結像されることを特徴とする光走査
装置。 - 【請求項11】潜像担持体の感光面に対して光走査を行
うことにより潜像を形成し、上記潜像を現像して可視化
する画像形成装置であって、 潜像担持体の感光面を被走査面として光走査を行う光走
査装置として、請求項7記載の光走査装置が搭載された
ことを特徴とする画像形成装置。 - 【請求項12】潜像担持体の感光面に対して光走査を行
うことにより潜像を形成し、上記潜像を現像して可視化
する画像形成装置であって、 潜像担持体の感光面を被走査面として光走査を行う光走
査装置として、請求項8記載の光走査装置が搭載された
ことを特徴とする画像形成装置。 - 【請求項13】請求項11または12記載の画像形成装
置において、 潜像担持体の感光面を被走査面として光走査を行う光走
査装置として、請求項9または10記載の光走査装置が
搭載されたことを特徴とする画像形成装置。 - 【請求項14】請求項11または12または13記載の
画像形成装置において、 潜像担持体を光導電性の感光体とし、感光面を均一に帯
電したのち、光走査により静電潜像を形成し、形成され
た静電潜像を現像してトナー画像を得、得られるトナー
画像をシート状の記録媒体に転写・定着して画像を得る
装置であることを特徴とする画像形成装置。
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