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
【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。
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。
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。
g(y) = RDx(1+BC y2 + BD y4 +BE y6 + BF y8 + BG y10)
θ(y) = EC y2 + ED y4 + EE y6
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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) - 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) - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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) - 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) - 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) - 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) - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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) - 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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