JP2005173221A - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 オーバフィルドタイプの光走査装置において、装置の低コスト化及び温度変化による性能劣化の防止を図りつつ、光利用効率及び周辺光量比の向上を達成する。
【解決手段】 光走査装置は、半導体レーザ１と、半導体レーザ１からの光束を走査するポリゴンミラー７と、ポリゴンミラー７の一つの偏向反射面の主走査方向の幅よりも幅の大きな線像を偏向反射面上に形成する第１結像光学系と、ポリゴンミラー７と被走査面９との間に配置され、１枚の曲面ミラー８から構成される第２結像光学系とを備えている。第１結像光学系は、半導体レーザ１からの光束を主走査方向に発散光とし且つ副走査方向に収束光とする第１変換光学系５と、主走査方向に正の屈折力を有する第２変換光学系（第３レンズ）６とで構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばレーザビームプリンタ、レーザファクシミリ、デジタル複写機などの画像形成装置等において画像書き込み等に用いられる光走査装置及びそれを備えた画像形成装置に関するものである。
レーザビームプリンタなどに用いられている多くの光走査装置は、光源としての半導体レーザと、回転多面鏡（ポリゴンミラー）と、回転多面鏡の面倒れを補正するために光源からの光束を回転多面鏡に線状に結像する第１結像光学系と、回転多面鏡からの光束を被走査面に導き、被走査面上に等速度で均一なスポットを結像する第２結像光学系とから構成されている。
従来の多くの光走査装置は、主走査方向の実効的な開口をポリゴンミラーの手前に配置し、ポリゴンミラーの偏向反射面に、この反射面の主走査方向幅よりも幅の小さな線像を形成するアンダーフィルドタイプのものであった。しかし、アンダーフィルドタイプの光走査装置では、走査の高速化のためにポリゴンミラーの面数を増やそうとすると、ポリゴンミラーの内径を大きくする必要があった。ところが、ポリゴンミラーの内径を大きくすると、ポリゴンミラーの大型化を招き、また、ポリゴンミラーの回転駆動に大きな力が必要となる。そのため、ポリゴンミラーの内径を大きくすることには一定の限界があった。したがって、アンダーフィルドタイプの光走査装置では、走査の高速化が困難であるという問題点があった。そこで近年、ポリゴンミラーの反射面の面幅よりも幅の大きい線像を形成し、ポリゴンミラーの反射面を主走査方向の実効的な開口とするオーバフィルドタイプの光走査装置が提案されている。（例えば、特許文献１、２参照）
特開平９−３０４７２０号公報 特開２０００−１９４４３号公報
しかしながら、特許文献１に開示された光走査装置では、第２結像光学系として高価なガラスｆθレンズを用いていたために、低コスト化が困難であるという課題があった。また、特許文献２に開示された光走査装置では、樹脂レンズを用いていたために、温度変化による性能劣化が大きいという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑み、オーバフィルドタイプの光走査装置において、装置の低コスト化と温度変化による性能劣化の防止とを図りつつ、光利用効率及び周辺光量比の向上を達成することを目的とする。
本発明の光走査装置は、光束を出射する光源部と、複数の偏向反射面を有し、前記光源部からの光束を主走査方向に走査する回転多面鏡と、前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記回転多面鏡の一つの偏向反射面の主走査方向の幅より大きな幅を有する線像を前記回転多面鏡の偏向反射面上に形成する第１結像光学系と、一つの曲面ミラーから構成され、前記回転多面鏡に反射された光束を被走査面に結像する第２結像光学系とを備え、前記第１結像光学系からの光束が、前記回転多面鏡の前記偏向反射面の法線を含み且つ主走査方向に平行な面に対して斜めに入射し、前記回転多面鏡からの光束が、前記曲面ミラーの頂点における法線を含み且つ主走査方向に平行な面であるＹＺ面に対して斜めに入射するように、主走査方向と直交する副走査方向に関して前記第１結像光学系と前記第２結像光学系とが異なる位置に配置された光走査装置であって、前記第１結像光学系は、前記光源部からの光束を主走査方向に関しては発散光とし、副走査方向に関しては収束光とする第１変換光学系と、主走査方向に正の屈折力を有する第２変換光学系とを備えていることを特徴とする。
この構成により、第２結像光学系としてガラス製のｆθレンズを必要としないので、装置の低コスト化が図られる。また、温度変化による性能劣化の小さな１枚曲面ミラーを用いるので、温度変化による性能劣化の防止を図ることができる。また、光利用効率及び周辺光量比ともに、良好な性能を達成することができる。
前記第２結像光学系の副走査方向の結像倍率をβs2としたとき、以下の条件式(1)を満足していることが望ましい。
０．７ ＜ βs2 ＜ ２．６ -----(1)
本発明の光走査装置では、光束は、前記回転多面鏡の前記偏向反射面に対し、副走査方向に関して斜め入射（入射角θP）する。そのため、前記回転多面鏡の各面と回転中心軸との間の距離にバラツキ（所謂面振れΔｒｐ）がある場合には、前記被走査面上での副走査方向の走査位置にバラツキ（所謂ジッタΔXi１）が発生する。この面振れに起因するジッタΔXi1は、下記の式(27)のように表される。
ΔXi1 ＝ ２・Δｒｐ・sinθP・βs2 -----(27)
また、前記偏向反射面と前記被走査面とが副走査方向の共役関係がずれた状態（ΔZd）で配置された場合、前記回転多面鏡の各面の副走査方向の傾き（所謂面倒れ角Φｐ）によって、前記被走査面上での副走査方向の走査位置にバラツキ（ジッタΔXi2）が発生する。この面倒れに起因するジッタΔXi2は、下記の式(28)のように表される。
ΔXi2 ＝ ΔZd・tan（２・Φｐ／βs2） -----(28)
そして、条件式(1)の上限を超えると、面振れに起因するジッタΔXi1が大きくなり、下限を下回ると、面倒れに起因するジッタΔXi2が大きくなる。逆に言うと、条件式(1)を満たすことにより、ジッタΔXi1及びΔXi2を小さく抑えることができる。
さらに、以下の条件式(2)を満足すると、各ジッタの発生を更に小さく抑えることができる。
０．９５ ＜ βs2 ＜ ２．０ -----(2)
前記曲面ミラーの副走査方向に沿った断面形状を円弧とし、前記曲面ミラーを加工又は計測が比較的容易な形状としてもよい。また、前記曲面ミラーを、斜め入射に起因して生じる走査線曲がりを補正する形状としてもよい。前記曲面ミラーを、ＹＺ面に関して非対称な形状としてもよい。前記曲面ミラーの反射面は、前記ＹＺ面と前記反射面とが交わる曲線（すなわち母線）上にある頂点以外の各点の法線が前記ＹＺ面に含まれない、ねじれ形状を有していてもよい。また、母線上の各点の法線が前記ＹＺ面となす角度を、前記反射面の周辺ほど大きくなるようにしてもよい。母線上の各点の法線が前記ＹＺ面となす角度の方向は、前記曲面ミラーで反射される光束が前記偏向反射面からの入射光束に対してなす角度を正の方向とした場合、正の方向となるようにしてもよい。
このことにより、光学系を単純な構成にすることができ、光束の斜め入射に起因して生じる光線収差を補正しつつ、走査線曲がりを補正することができる。
また、前記曲面ミラーは、頂点における主走査方向の曲率半径と副走査方向の曲率半径とが異なるアナモフィックミラーであってもよい。前記曲面ミラーの反射面は、主走査方向及び副走査方向の双方ともに凹状であってもよい。前記曲面ミラーの反射面における副走査方向の屈折力は、主走査方向における中心部と周辺部とで変化していてもよい。また、前記曲面ミラーは、副走査方向に沿った断面の曲率半径が主走査方向に沿った断面形状に依らない形状であってもよい。
このことにより、主走査方向及び副走査方向の像面位置と像面湾曲とを好適化又は最適化することができる。
また、本発明の光走査装置は、前記第２変換光学系の射出面と前記偏向反射面との距離をD3、前記偏向反射面の法線が前記第１結像光学系からの光軸となす角度をθP、前記第１結像光学系の副走査方向の結像倍率をβs1、前記光源部側の副走査方向実効FnoをFsとしたとき、以下の条件式(3)を満足することが望ましい。下記式は、回転多面鏡に入射する前の光束と反射後の光束との間隔を示しており、下記式の値が大きすぎると、装置全体が大きくなるため、振動によるジッタが問題となり、下記式の値が小さすぎると、第２変換光学系の配置が困難となる。
１ ＜Ｄ３・tan［２・θP−sin-1｛１／（Fs・βs1）｝］＜ １０ -----(3)
さらに、条件式(4)はより適切な配置条件を示している。
２ ＜Ｄ３・tan［２・θP−sin-1｛１／（Fs・βs1）｝］＜ ６ -----(4)
また、本発明に係る他の光走査装置は、光束を出射する光源部と、複数の偏向反射面を有し、前記光源部からの光束を主走査方向に走査する回転多面鏡と、前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記回転多面鏡の一つの偏向反射面の主走査方向の幅より大きな幅を有する線像を前記回転多面鏡の偏向反射面上に形成する第１結像光学系と、前記回転多面鏡に反射された光束を被走査面に結像する第２結像光学系とを備えた光走査装置であって、前記第１結像光学系は、前記光源部からの光束を主走査方向に関しては発散光とし、副走査方向に関しては収束光とする第１変換光学系と、主走査方向に正の屈折力を有する第２変換光学系とを備え、前記第２結像光学系の副走査方向の結像倍率βs2が、以下の条件式(5)を満足することを特徴とする。
０．７ ＜ βs2 ＜ ２．６ -----(5)
この構成により、ジッタの発生を小さく抑えたオーバフィルドタイプの光走査装置において、光利用効率、周辺光量比ともに良好な性能を達成することができる。
さらに、以下の条件式(6)を満足すると、ジッタの発生をより小さくすることができる。
０．９５ ＜ βs2 ＜ ２．０ -----(6)
さらに、前記第１結像光学系が前記光源部からの光束を主走査方向について収束光束にすることで、前記回転多面鏡から結像位置までの距離を短縮しながら、主走査方向、副走査方向の各像面湾曲、ｆθ特性を良好な性能とすることができる。
また、前記第１変換光学系は、前記光源部側から順に配置されたコリメータレンズと、主走査方向に負の屈折力を有するシリンダレンズあるいは球面レンズ等からなる第１レンズと、副走査方向に正の屈折力を有するシリンダレンズ等からなる第２レンズとからなっていてもよい。前記第２変換光学系は、主走査方向に正の屈折力を有するシリンダレンズ等からなる第３レンズで構成されていてもよい。
そして、前記光源部を複数の発光部を有する光源部とすることで、印字速度を高速化することができる。
また、前記光源部の複数の発光部を結ぶ直線が主走査方向に平行な面となす角をγ、隣り合う発光部の間隔をＰo、前記光源部から前記被走査面までの全系の副走査方向結像倍率をβs、前記被走査面上における副走査方向のスポット間隔をＰisとしたとき、以下の条件式(7)を満足することが好ましい。この場合、γを調整すれば、スポット間隔Ｐisを所望の間隔とすることができる。
βs・Ｐo・sin（γ）=Ｐis -----(7)
また、複数の発光部を有する光源部を用いる場合、複数の発光部からの各光束の光軸の傾きにバラツキがあると、周辺光量比が大きく劣化するおそれがある。そこで、前記光源部から前記被走査面までの全系の主走査方向結像倍率をβmとしたとき、以下の条件式(8)を満足することが望ましい。βmが小さすぎると光利用効率が悪くなり、必要な光強度を被走査面上で得られなくなる一方、βmが大きすぎると、光軸の傾きバラツキによる周辺光量劣化が大きくなるからである。
１．０ ＜ βm ＜ ５ -----(8)
さらに、以下の条件式(9)を満足すると、より適当な光利用効率、周辺光量を実現することができる。
１．５ ＜ βm ＜ ３．４ -----(9)
さらに、以下の条件式(10)を満足すると、より適当な光利用効率、周辺光量を実現することができる。
２．２ ＜ βm ＜ ２．８ -----(10)
また、前記光源部から前記被走査面までの全系の副走査方向結像倍率をβsとしたとき、以下の条件式(11)を満足することが望ましい。βsが小さすぎると光利用効率が悪くなり、必要な光強度を被走査面上で得られなくなる一方、βsが大きすぎると光源およびコリメータレンズの配置誤差や波長変化による像面移動などの影響が大きくなるからである。
１０ ＜ βs ＜ ３６ -----(11)
さらに、以下の条件式(12)を満足すると、より適当な光利用効率、配置公差を実現することができる。
１９ ＜ βs ＜ ３３ -----(12)
さらに、以下の条件式(13)を満足すると、より適当な光利用効率、配置公差を実現することができる。
２７ ＜ βs ＜ ３０ -----(13)
また、前記光源部側の主走査方向実効FnoをFmとしたとき、以下の条件式(14)を満足することが望ましい。Fmが大きすぎると光利用効率が悪くなり、必要な光強度を被走査面上で得られなくなる一方、Fmが小さすぎると光軸の傾きバラツキによる周辺光量劣化が大きくなるからである。
１０ ＜ Fm ＜ ５０ -----(14)
さらに、以下の条件式(15)を満足すると、より適当な光利用効率、周辺光量を実現することができる。
１５ ＜ Fm ＜ ３４ -----(15)
さらに、以下の条件式(16)を満足すると、より適当な光利用効率、周辺光量を実現することができる。
１８ ＜ Fm ＜ ２３ -----(16)
また、前記光源部側の副走査方向実効FnoをFsとしたとき、以下の条件式(17)を満足することが望ましい。Fｓが大きすぎると光利用効率が悪くなり、必要な光強度を被走査面上で得られなくなる一方、Fｓが小さすぎると光源およびコリメータレンズの配置誤差や波長変化による像面移動などの影響が大きくなるからである。
１．３ ＜ Fｓ ＜ ５ -----(17)
さらに、以下の条件式(18)を満足すると、より適当な光利用効率、配置公差を実現することができる。
１．５ ＜ Fｓ ＜ ２．５ -----(18)
さらに、以下の条件式(19)を満足すると、より適当な光利用効率、配置公差を実現することができる。
１．７ ＜ Fｓ ＜ １．９ -----(19)
また、前記光源部から前記被走査面までの全系の主走査方向結像倍率をβm、副走査方向結像倍率をβsとしたとき、以下の条件式(20)を満足していることが望ましい。βm・βsが小さすぎると光利用効率が悪くなり、必要な光強度を被走査面上で得られなくなる一方、βm・βsが大きすぎると光軸の傾きバラツキによる周辺光量劣化、あるいは、コリメータレンズの配置誤差や波長変化による像面移動などの影響が大きくなるからである。
３０ ＜ βm・βs ＜ ９０ -----(20)
さらに、以下の条件式(21)を満足すると、より適当な光利用効率、周辺光量、配置公差を実現することができる。
４０ ＜ βm・βs ＜ ７０ -----(21)
また、前記第１レンズの主走査方向の焦点距離をfm1、前記第２変換光学系の主走査方向の焦点距離をfm3としたとき、以下の条件式(22)を満足することが望ましい。
３ ＜ |fm3／fm1| ＜ １３ -----(22)
安価な小径コリメータレンズを使用する場合、この条件式を満足しないと所望の主走査方向の結像倍率が得られ難く、|fm3／fm1|の値が大きすぎると光利用効率が悪くなり、必要な光強度を被走査面上で得られなくなる一方、|fm3／fm1|の値が小さすぎると光軸の傾きバラツキによる周辺光量劣化が大きくなるからである。
さらに、以下の条件式(23)を満足すると、より適当な光利用効率、周辺光量を実現することができる。
７ ＜ |fm3／fm1| ＜ ９ -----(23)
また、前記第１レンズの主走査方向の焦点距離をfm1、前記第２結像光学系の主走査方向の焦点距離をfmとしたとき、以下の条件式(24)を満足することが望ましい。
０．０５ ＜ |fm1／fm| ＜ ０．３ -----(24)
|fm1／fm|の値が大きすぎると、第１結像光学系、そして装置全体が大きくなるため、振動によるジッタが問題となるからである。一方、|fm1／fm|の値が小さすぎると、曲率が大きくなり、収差が発生するため高解像度が実現できなくなるからである。
さらに、以下の条件式(25)を満足すると、より適当な大きさ、収差を実現することができる。
０．０６ ＜ |fm1／fm| ＜ ０．２ -----(25)
さらに、以下の条件式(26)を満足すると、より適当な大きさ、収差を実現することができる。
０．０７ ＜ |fm1／fm| ＜ ０．１ -----(26)
画像形成装置に本発明の光走査装置を用いることにより、高速書き込みが可能でありながら、低コストな画像形成装置を実現することができる。
本発明によれば、第１結像光学系を、光源部からの光束を主走査方向に発散光とし且つ副走査方向に収束光とする第１変換光学系と、主走査方向に正の屈折力を有する第２変換光学系とで構成し、さらに、各光学系の配置又は結像倍率を、所定の条件式の範囲とすることによって、ジッタ量の発生を小さく抑えたオーバフィルドタイプの光走査装置、特に１枚の曲面ミラーのみで第２結像光学系を構成したオーバフィルドタイプの光走査装置の光利用効率、周辺光量比を良好な性能とすることができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
図１は本発明の光走査装置の一実施の形態を示す構成図である。図１において、１は二つの発光点を有する半導体レーザ、２はコリメータレンズ、３は主走査方向に負の屈折力を持つ第１レンズ、４は副走査方向にのみ屈折力を持つ第２レンズ、５はコリメータレンズ２と第１レンズ３と第２レンズ４とから構成される第１変換光学系、６は主走査方向に正の屈折力を持つ第３レンズ（第２変換光学系）、７は小径多面のポリゴンミラー、８は曲面ミラー、９は被走査面である。なお、コリメータレンズ２、第１レンズ３、第２レンズ４、及び第３レンズ６は、第１結像光学系を構成している。
半導体レーザ１の二つの発光点からの光束は、コリメータレンズ２によって略平行光とされる。コリメータレンズ２からの略平行光は、第１レンズ３によって主走査方向に関しては発散光とされ、第２レンズ４によって副走査方向に関しては収束光に変換される。第２レンズ４を通過した光束は、主走査方向に光束径が拡大された後に、第３レンズ６により、主走査方向に関して収束した収束光に変換される。そして、第３レンズ６からの光束は、ポリゴンミラー７の偏向反射面上に、主走査方向に延伸した線像を形成する。このとき、主走査方向において、前記光束の幅は、前記偏向反射面の主走査方向の幅より大きくなる。すなわち、前記光束は、ポリゴンミラー７の偏向反射面に所謂オーバフィルド状態で入射する。ポリゴンミラー７により偏向反射された光束は、曲面ミラー８で結像作用を受け、被走査面９上で走査結像する。
本光走査装置では、光束がポリゴンミラー７にオーバフィルド状態で入射することを前提としているので、内接半径が小さく且つ反射面数が多いポリゴンミラー７を使用することができる。そのため、ポリゴンミラー７の回転数を増やすことなく走査を高速化することが可能となる。さらに、内接半径の小さなポリゴンミラー７を用いることができるので、回転駆動の負荷も小さく、高速回転起動や低負荷モータを使用することができる。
図２は、光走査装置の副走査方向に沿った断面図（すなわち、主走査方向に直交する断面の図。以下、副走査断面図という）である。第１結像光学系からの光束は、ポリゴンミラー７に対して、副走査断面内で斜めに入射する。ポリゴンミラー７で偏向反射された光束は、曲面ミラー８に対して斜めに入射する。曲面ミラー８に入射した光束は、曲面ミラー８の光学パワーによって収束作用を受け、被走査面９に結像走査する。図中、T1、T2、T3は、順に第１レンズ３、第２レンズ４、第３レンズ６の中心肉厚を示し、D1、D2、D3は、順に第１レンズ３、第２レンズ４、第３レンズ６の間隔を表す。また、D4は偏向反射点と曲面ミラー８との間隔を示し、D5は曲面ミラー８と被走査面９との間隔を示す。θPは、第１結像光学系からの光軸とポリゴンミラー７の偏向反射面の法線とのなす角（入射光軸と反射光軸のなす角は２・θp）であり、θMは偏向反射面からの光軸と曲面ミラー８の頂点における法線とのなす角（入射光軸と反射光軸のなす角は２・θM）である。図２から明らかなように、副走査方向断面に関して、ポリゴンミラー７の偏向反射面で反射される反射光束が前記第１結像光学系からの入射光束に対してなす角度の方向を正の方向とした場合、曲面ミラー８で反射される光束が偏向反射面からの入射光束に対してなす角度の方向は、負の方向となっている。
各実施例の曲面ミラー８の面形状は、面の頂点を原点とする副走査方向座標、主走査方向座標がｘ、ｙの位置における頂点からのサグ量（ただし、入射光束の向かう方向を正とする）をｚとして、式(27)で示される。
Figure 2005173221
 但し、
Figure 2005173221
g（y） ＝ RDx（１＋BC y2 + BD y4 +BE y6 + BF y8 + BG y10）

θ（y） ＝ EC y2 + ED y4 + EE y6
ここで、ｆ（ｙ）は母線上の形状である非円弧を示す式、ｇ（ｙ）はｙ位置における副走査方向（ｘ方向）の曲率半径、θ（ｙ）はｙ位置におけるねじり量を示す式である。そして、ＲＤｙ（ｍｍ）は頂点における主走査方向の曲率半径、ＲＤｘ（ｍｍ）は副走査方向の曲率半径、Kは母線形状を示す円錐定数、AD、AE、AF、AGは母線形状を示す高次定数であり、BC、BD、BE、BF、BGはｙ位置における副走査方向の曲率半径を決める定数、EC、ED、EEはｙ位置におけるねじり量を決めるねじり定数である。これらにより、曲面ミラー８の形状は、主像面湾曲、副像面湾曲、及びｆθ誤差を補正するように定められている。すなわち、主走査方向断面の非円弧形状や各像高に対応した副走査方向の曲率半径は、主像面湾曲、副像面湾曲、及びｆθ誤差を補正するように決められ、走査線湾曲を補正するために、各像高に対応した位置での面のねじり量が決められている。
本実施の形態では、ポリゴンミラー７の偏向反射面に、光束が副走査方向に斜め入射（入射角θP）している。そのため、ポリゴンミラー７の各偏向反射面と回転中心軸との間の距離にバラツキ（所謂面振れΔｒｐ）がある場合には、前記被走査面９上において、副走査方向の走査位置のバラツキ（所謂ジッタΔXi１）が生じる。曲面ミラー８の副走査方向の結像倍率をβs2とすると、面振れに起因するジッタΔXi1は、下記の式(28)のように表される。
ΔXi1 ＝ ２・Δｒｐ・sinθP・βs2 -----(28)
前記偏向反射面と前記被走査面９との副走査方向の共役関係がずれて配置された（ΔZd）場合には、前記ポリゴンミラー７の各面の副走査方向の傾き（所謂面倒れ角Φｐ）によって、前記被走査面９上において、副走査方向の走査位置のバラツキ（ジッタΔXi2）が生じる。この面倒れに起因するジッタΔXi2は、下記の式(29)のように表される。
ΔXi2 ＝ ΔZd・tan（２・Φｐ／βs2）-----(29)
Δｒｐ=0.03mm、θP＝１．５度、ΔZd＝2mm、Φｐ=150秒とした場合のβs2と各ジッタ量との関係を図３に示す。
ここで、条件式(30)を満足すると、各ジッタ量の発生を４μｍ以下とすることができる。
０．７ ＜ βs2 ＜ ２．６ -----(30)
さらに、以下の条件式(31)を満足すると、各ジッタ量の発生を３μｍ以下とすることができる。
０．９５ ＜ βs2 ＜ ２．０ -----(31)
第２結像光学系の具体的数値例を以下に示す。なお、設計波長は780nm、ポリゴン面数をＮp、ポリゴン内接半径をｒp、最大像高をＹmax、それに対応したポリゴン回転角をαmaxとした。副走査方向結像倍率βs2は１．１５である。
Figure 2005173221
上記第２結像光学系に適応する第１結像光学系の具体的数値例を以下に示す。なお、コリメータレンズ２の焦点距離はFｃ、第１レンズ３は主走査方向凹シリンダレンズからなり焦点距離はｆｍ１、第２レンズ４は副走査方向凸シリンダレンズで焦点距離はｆｓ２、第３レンズ６は数値例１，２が主走査方向凸シリンダレンズ、数値例３が球面凸レンズであり、そのその焦点距離はｆｍ３とした。
（数値例１）
Figure 2005173221
（数値例２）
Figure 2005173221
（数値例３）
Figure 2005173221
（表５）に各数値例の諸量をまとめた。いずれも各条件式を満足している。
Figure 2005173221
また、二つの発光点を結ぶ直線が主走査方向に平行な面となす角をγ、隣り合う発光部の間隔をＰo、前記光源部から前記被走査面９までの全系の副走査方向結像倍率をβs、前記被走査面９上における副走査方向のスポット間隔をＰisとしたとき、以下の条件式(32)を満足している。
βs・Ｐo・sin（γ）=Ｐis -----(32)
発光点間隔Ｐｏが１４μｍの半導体レーザ１を使用し、被走査面９上における副走査方向の副走査方向の走査線間隔を４２．３μｍとするためには、γ=６．２４度となる。
図４に、数値例１の場合の周辺光量比を示した。図４は、半導体レーザ１の二つの光軸傾きのバラツキが±０．５度の場合を各々シミュレーションした結果を表している。本例では、バラツキを含めても周辺光量比９０％を達成している。なお、接合に水平な方向（二つの発光点が並んだ方向）の放射角（半値全角）を９度、垂直方向の放射角を３１度とした。
また、第１結像光学系の設計値を変更し、光源部側の主走査方向実効Fno（Fm）を変化させた場合の光伝達効率、周辺光量比のシミュレーション結果を図５に示す。なお、半導体レーザ１は上記放射角とし、副走査方向結像倍率βsは全て同じで２７．８とした。
この場合、条件式(33)を満足すると、光伝達効率８％以上、周辺光量比８２％以上を達成することができる。
１０ ＜ Fm ＜ ５０ -----(33)
さらに、以下の条件式(34)を満足すると、光伝達効率１４％以上、周辺光量比８８％以上を達成することができる。
１５ ＜ Fm ＜ ３４ -----(34)
さらに、以下の条件式(35)を満足すると、光伝達効率１９％以上、周辺光量比９０％以上を達成することができる。
１８ ＜ Fm ＜ ２３ -----(35)
また、被走査面側の主走査方向実効FnoをFmi、全系の主走査方向倍率をβmとすると、βmは以下の式(36)のように表される。そこで、波長780nmで70μｍ程度のビーム径（1／e^2）となるFmi=５０の場合、条件式(33)、(34)、(35)を満足するFmに対応するβmは、下記の条件式(37)、(38)、(39)のようになる。
βm ＝ Fmi / Fm -----(36)
条件式(37)を満足すると、光伝達効率８％以上、周辺光量比８２％以上を達成することができる。
１．０ ＜ βm ＜ ５ -----(37)
条件式(38)を満足すると、光伝達効率１４％以上、周辺光量比８８％以上を達成することができる。
１．５ ＜ βm ＜ ３．４ -----(38)
条件式(39)を満足すると、光伝達効率１９％以上、周辺光量比９０％以上を達成することができる。
２．２ ＜ βm ＜ ２．８ -----(39)
また、図６に、全系の副走査方向結像倍率（βs）が変化したときに、コリメータレンズ配置誤差発生時（２μｍ）の近軸的な副方向結像面（ガウス像面）の移動量と光伝達効率とがどのように変化するかを示した。なお、半導体レーザ１は上記放射角とし、光源部側の主走査方向実効Fno（Fm）は２１．９５、被走査面側の副走査方向実効Fno（Fsi）は５０とした。
この場合、条件式(40)を満足すると、光伝達効率８％以上、像面移動量2.5mm以下を達成することができる。
１０ ＜ βs ＜ ３６ -----(40)
さらに、以下の条件式(41)を満足すると、光伝達効率１４％以上、像面移動量2.0mm以下を実現することができる。
１９ ＜ βs ＜ ３３ -----(41)
さらに、以下の条件式(42)を満足すると、光伝達効率１９％以上、像面移動量1.5mm以下を実現することができる。
２７ ＜ βs ＜ ３０ -----(42)
また、被走査面側の副走査方向実効FnoをFsi、全系の副走査方向倍率をβsとし、 Fsを以下の式(43)のように表す。波長780nmで70μｍ程度のビーム径（1／e^2）となるFsi=５０の場合、条件式(40)、(41)、(42)を満足するβsに対応するFsは、下記の条件式(44)、(45)、(46)のようになる。
Fs ＝ Fsi / βs -----(43)
条件式(44)を満足すると、光伝達効率８％以上、像面移動量2.5mm以下を達成することができる。
１．３ ＜ Fｓ ＜ ５ -----(44)
条件式(45)を満足すると、光伝達効率１４％以上、像面移動量2.0mm以下を達成することができる。
１．５ ＜ Fｓ ＜ ２．５ -----(45)
条件式(46)を満足すると、光伝達効率１９％以上、像面移動量1.5mm以下を達成することができる。
１．７ ＜ Fｓ ＜ １．９ -----(46)
［第２の実施の形態］
図７は、第１の実施の形態に係る光走査装置を備えた画像形成装置を示している。本体１０１の内部の略中央には、矢印１０２の方向に回転駆動される感光ドラム１０３が配置されている。感光ドラム１０３の周囲には、帯電器１０４と、現像器１０５と、転写器１０６と、感光ドラム１０３上の残留トナーをこすり取るブレード１０７を有するクリーナ１０８とが配置されている。帯電器１０４によって所望の電位に帯電された感光ドラム１０３の表面には、光走査装置１０９から光ビームが入射され、走査される。これにより、感光ドラム１０３の表面に、所望の画像を潜像として形成する。この潜像は現像器１０５で現像され、トナー画像となる。
光走査装置１０９は、光源部（図示せず）からの光束を回転多面鏡１１１の一つの偏向反射面に入射させ、その偏向反射面上に、偏向反射面の主走査方向の幅よりも幅の大きな線像を形成する第１結像光学系１１０を備えている。第１結像光学系１１０から射出された光束は回転多面鏡１１１により偏向され、偏向された光束は曲面ミラー１１２によって反射される。曲面ミラー１１２により反射された光束は、感光ドラム１０３上に結像走査する。なお、曲面ミラー１１２からの光ビームを反射鏡１１３により所望の方向に曲げることで、本体１０１内における光走査装置１０９の配置の好適化又は最適化を図ることができる。この現像プロセスの進行と同時に、記録用紙１１４は本体１０１の下部に設けられた給紙カセット１１５から１枚ずつ給紙され、タイミングローラ１１６を経て転写部へ搬送される。ここで記録用紙１１４にトナー画像が転写され、定着器１１７によって定着される。画像が定着された後、記録用紙１１４は排出ローラ１１８から本体１０１の上面に排出される。
このように、前記第１の実施の形態の光走査装置を用いることにより、高速、小型、低コスト、高解像度の画像形成装置を実現することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る光走査装置を示す要部構成図である。 第１の実施の形態に係る光走査装置の副走査方向断面における要部構成図である。 ポリゴン面振れ、面倒れに起因するジッタと第２結像光学系の副結像倍率βs2との関係を示すグラフである。 数値例１の周辺光量比のシミュレーション結果を表すグラフである。 主走査方向実効Ｆ数Ｆｍを変化させた場合の光伝達効率及び周辺光量比のシミュレーション結果を表すグラフである。 全系の副走査方向結像倍率βsを変化させた場合の光伝達効率及び像面移動量のシュミレーション結果を表すグラフである。 本発明に係る画像形成装置の内部構成図である。
符号の説明
１ 半導体レーザ
２ コリメータレンズ
３ 第１レンズ
４ 第２レンズ
５ 第１変換光学系
６ 第３レンズ
７ ポリゴンミラー
８ 曲面ミラー
９ 被走査面
１０１ 画像形成装置
１０９ 光走査装置

Claims (47)

  1. 光束を出射する光源部と、
    複数の偏向反射面を有し、前記光源部からの光束を主走査方向に走査する回転多面鏡と、
    前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記回転多面鏡の一つの偏向反射面の主走査方向の幅より大きな幅を有する線像を前記回転多面鏡の偏向反射面上に形成する第１結像光学系と、
    一つの曲面ミラーから構成され、前記回転多面鏡に反射された光束を被走査面に結像する第２結像光学系とを備え、
    前記第１結像光学系からの光束が、前記回転多面鏡の前記偏向反射面の法線を含み且つ主走査方向に平行な面に対して斜めに入射し、前記回転多面鏡からの光束が、前記曲面ミラーの頂点における法線を含み且つ主走査方向に平行な面であるＹＺ面に対して斜めに入射するように、主走査方向と直交する副走査方向に関して前記第１結像光学系と前記第２結像光学系とが異なる位置に配置された光走査装置であって、
    前記第１結像光学系は、前記光源部からの光束を主走査方向に関しては発散光とし、副走査方向に関しては収束光とする第１変換光学系と、主走査方向に正の屈折力を有する第２変換光学系とを備えていることを特徴とする光走査装置。
  2. 前記第２結像光学系の副走査方向の結像倍率βs2が、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
    ０．７ ＜ βs2 ＜ ２．６ -----(1)
  3. 前記第２結像光学系の副走査方向の結像倍率をβs2としたとき、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
    ０．９５ ＜ βs2 ＜ ２．０ -----(2)
  4. 前記曲面ミラーの副走査方向に沿った断面形状が円弧であることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
  5. 前記曲面ミラーは、斜め入射に起因して生じる走査線曲がりを補正する形状であることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
  6. 前記曲面ミラーは、前記ＹＺ面に関して非対称であることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
  7. 前記曲面ミラーの反射面は、前記ＹＺ面と前記反射面とが交わる曲線（以後、母線という。）上にある頂点以外の各点の法線が前記ＹＺ面に含まれないねじれ形状を有していることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
  8. 前記母線上の各点の法線が前記ＹＺ面となす角の角度は、前記反射面の周辺ほど大きくなることを特徴とする請求項７記載の光走査装置。
  9. 前記母線上の各点の法線が前記ＹＺ面となす角の角度の方向は、前記曲面ミラーで反射される光束が前記偏向反射面からの入射光束に対してなす角の角度を正の方向とした場合、正の方向であることを特徴とする請求項７記載の光走査装置。
  10. 前記曲面ミラーは、頂点における主走査方向の曲率半径と副走査方向の曲率半径とが異なるアナモフィックミラーであることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
  11. 前記曲面ミラーの反射面は、主走査方向及び副走査方向の双方ともに凹状であることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
  12. 前記曲面ミラーの反射面における副走査方向の屈折力が、主走査方向における中心部と周辺部とで変化していることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
  13. 前記曲面ミラーは、副走査方向に沿った断面の曲率半径が主走査方向に沿った断面形状に依らないことを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
  14. 前記第２変換光学系の射出面と前記偏向反射面との距離をD3、前記偏向反射面の法線が前記第１結像光学系からの光軸となす角の角度をθP、前記第１結像光学系の副走査方向の結像倍率をβs1、前記光源部側の副走査方向実効Fno（Ｆ数）をFsとしたとき、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
    １ ＜Ｄ３・tan［２・θP−sin-1｛１／（Fs・βs1）｝］＜ １０ -----(3)
  15. 以下の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項１４記載の光走査装置。
    ２ ＜Ｄ３・tan［２・θP−sin-1｛１／（Fs・βs1）｝］＜ ６ -----(4)
  16. 光束を出射する光源部と、
    複数の偏向反射面を有し、前記光源部からの光束を主走査方向に走査する回転多面鏡と、
    前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記回転多面鏡の一つの偏向反射面の主走査方向の幅より大きな幅を有する線像を前記回転多面鏡の偏向反射面上に形成する第１結像光学系と、
    前記回転多面鏡に反射された光束を被走査面に結像する第２結像光学系とを備えた光走査装置であって、
    前記第１結像光学系は、前記光源部からの光束を主走査方向に関しては発散光とし、副走査方向に関しては収束光とする第１変換光学系と、主走査方向に正の屈折力を有する第２変換光学系とを備え、
    前記第２結像光学系の副走査方向の結像倍率βs2が、以下の条件式(5)を満足することを特徴とする光走査装置。
    ０．７ ＜ βs2 ＜ ２．６ -----(5)
  17. 前記結像倍率βs2が、以下の条件式(6)を満足することを特徴とする請求項１６記載の光走査装置。
    ０．９５ ＜ βs2 ＜ ２．０ -----(6)
  18. 前記第１結像光学系を経て前記偏向反射面に入射する光束は、主走査方向に関して収束光束であることを特徴とする請求項１又は１６記載の光走査装置。
  19. 前記第１変換光学系は、前記光源部側から順に配置されたコリメータレンズと、主走査方向に負の屈折力を有する第１レンズと、副走査方向に正の屈折力を有する第２レンズとからなることを特徴とする請求項１又は１６記載の光走査装置。
  20. 前記第２変換光学系は、主走査方向に正の屈折力を有する第３レンズからなることを特徴とする請求項１又は１６記載の光走査装置。
  21. 前記第１レンズは、主走査方向にのみ負の屈折力を有するシリンダレンズであることを特徴とする請求項１９記載の光走査装置。
  22. 前記第１レンズは、負の屈折力を有する球面レンズであることを特徴とする請求項１９記載の光走査装置。
  23. 前記第２レンズは、副走査方向にのみ正の屈折力を有するシリンダレンズであることを特徴とする請求項１９記載の光走査装置。
  24. 前記第３レンズは、主走査方向にのみ正の屈折力を有するシリンダレンズであることを特徴とする請求項２０記載の光走査装置。
  25. 前記第３レンズは、正の屈折力を有する球面レンズであることを特徴とする請求項２０記載の光走査装置。
  26. 前記光源部は複数の発光部を有することを特徴とする請求項１又は１６記載の光走査装置。
  27. 前記光源部の複数の発光部を結ぶ直線が主走査方向に平行な面となす角をγ、隣り合う発光部の間隔をＰo、前記光源部から前記被走査面までの全系の副走査方向結像倍率をβs、前記被走査面上における副走査方向のスポット間隔をＰis、としたとき、以下の条件式(7)を満足することを特徴とする請求項２６記載の光走査装置。
    βs・Ｐo・sin（γ）=Ｐis -----(7)
  28. 前記光源部から前記被走査面までの全系の主走査方向結像倍率をβmとしたとき、以下の条件式(8)を満足することを特徴とする請求項２６記載の光走査装置。
    １．０ ＜ βｍ ＜ ５ -----(8)
  29. 前記結像倍率βmが、以下の条件式(9)を満足することを特徴とする請求項２８記載の光走査装置。
    １．５ ＜ βｍ ＜ ３．４ -----(9)
  30. 前記結像倍率βmが、以下の条件式(10)を満足することを特徴とする請求項２９記載の光走査装置。
    ２．２ ＜ βｍ ＜ ２．８ -----(10)
  31. 前記光源部から前記被走査面までの全系の副走査方向結像倍率をβsとしたとき、以下の条件式(11)を満足することを特徴とする請求項２６記載の光走査装置。
    １０ ＜ βs ＜ ３６ -----(11)
  32. 前記結像倍率βsが、以下の条件式(12)を満足することを特徴とする請求項３１記載の光走査装置。
    １９ ＜ βs ＜ ３３ -----(12)
  33. 前記結像倍率βsが、以下の条件式(13)を満足することを特徴とする請求項３２記載の光走査装置。
    ２７ ＜ βs ＜ ３０ -----(13)
  34. 前記光源部側の主走査方向実効Fno（Ｆ数）をFmとしたとき、以下の条件式(14)を満足することを特徴とする請求項２６記載の光走査装置。
    １０ ＜ Fm ＜ ５０ -----(14)
  35. 前記Fmが、以下の条件式(15)を満足することを特徴とする請求項３４記載の光走査装置。
    １５ ＜ Fm ＜ ３４ -----(15)
  36. 前記Fmが、以下の条件式(16)を満足することを特徴とする請求項３５記載の光走査装置。
    １８ ＜ Fm ＜ ２３ -----(16)
  37. 前記光源部側の副走査方向実効Fno（Ｆ数）をFsとしたとき、以下の条件式(17)を満足することを特徴とする請求項２６記載の光走査装置。
    １．３ ＜ Fｓ ＜ ５ -----(17)
  38. 前記Fsが、以下の条件式(18)を満足することを特徴とする請求項３７記載の光走査装置。
    １．５ ＜ Fｓ ＜ ２．５ -----(18)
  39. 前記Fsが、以下の条件式(19)を満足することを特徴とする請求項３８記載の光走査装置。
    １．７ ＜ Fｓ ＜ １．９ -----(19)
  40. 前記光源部から前記被走査面までの全系の主走査方向結像倍率をβm、副走査方向結像倍率をβsとしたとき、以下の条件式(20)を満足することを特徴とする請求項２６記載の光走査装置。
    ３０ ＜ βm・βs ＜ ９０ -----(20)
  41. 前記結像倍率βm及び前記結像倍率βsが、以下の条件式(21)を満足することを特徴とする請求項４０記載の光走査装置。
    ４０ ＜ βm・βs ＜ ７０ -----(21)
  42. 前記第１レンズの主走査方向の焦点距離をfm1、前記第２変換光学系の主走査方向の焦点距離をfm3としたとき、以下の条件式(22)を満足することを特徴とする請求項１９記載の光走査装置。
    ３ ＜ |fm3／fm1| ＜ １３ -----(22)
  43. 前記焦点距離fm1及び前記焦点距離fm3が、以下の条件式(23)を満足することを特徴とする請求項４２記載の光走査装置。
    ７ ＜ |fm3／fm1| ＜ ９ -----(23)
  44. 前記第１レンズの主走査方向の焦点距離をfm1、前記第２結像光学系の主走査方向の焦点距離をfmとしたとき、以下の条件式(24)を満足することを特徴とする請求項１９記載の光走査装置。
    ０．０５ ＜ |fm1／fm| ＜ ０．３ -----(24)
  45. 前記焦点距離fm1及び前記焦点距離fmが、以下の条件式(25)を満足することを特徴とする請求項４４記載の光走査装置。
    ０．０６ ＜ |fm1／fm| ＜ ０．２ -----(25)
  46. 前記焦点距離fm1及び前記焦点距離fmが、以下の条件式(26)を満足することを特徴とする請求項４５記載の光走査装置。
    ０．０７ ＜ |fm1／fm| ＜ ０．１ -----(26)
  47. 請求項１乃至４６のいずれか一つに記載の光走査装置を備えた画像形成装置。
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