JP2006235345A - 走査光学系およびレーザビームプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】偏向器と走査レンズとの距離を小さくしたコンパクトな走査光学系を提供する。また、このようなコンパクトな走査光学系を使用したレーザビームプリンタを提供する。
【解決手段】本発明による走査光学系は、光源（１０１）からの光を偏向器（１０５）によって偏向させ、走査レンズ（１０６１、１０６２）を通過させた後、像面（１０７）上を主走査方向に走査する。本発明による走査光学系は、偏向器と走査レンズとの位置を近づけるように、当該光源の位置から主走査面に下した垂線の足が、主走査面内において偏向器の中心から走査レンズを見込む角度の範囲内に位置し、光源からの光が偏向器に到達するまでに、走査レンズを通過するように構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査光学系および当該走査光学系を使用したレーザビームプリンタに関する。特に、コンパクトな走査光学系および当該走査光学系を使用したレーザビームプリンタに関する。

図６は、レーザを光源として使用するプリンタや複写機の、従来技術による印刷部の構成を示す図である。

図６において、光源６０１から、画像信号に従って変調されたレーザ光が射出される。射出されたレーザ光はコリメータレンズ６０２およびシリンドリカルレンズ６０３によって主走査方向には略平行で、副走査方向には偏向器６０５の面上で結像する光束に変換される。シリンドリカルレンズ６０３によって、副走査方向には偏向器６０５の面上で結像する光束に変換するのは、偏向器６０５がポリゴンミラーの場合の、いわゆる面倒れ補正のためである。この光束が回転する偏向器６０５によって周期的に偏向され、偏向器６０５がポリゴンミラーの場合には、fθ特性を有する走査レンズ系６０６によって像面６０７上にスポット状に結像されながら走査される。このようにしてレーザ印刷部の画像が生成される。ここで、走査レンズ系６０６は、レンズ６０６１および６０６２から構成される。ここで、図６においては、偏向器６０５と走査レンズ６０６１との間に反射鏡６０４が設けられている。反射鏡６０４は、光源６０１から偏向器６０５に入射する光束の角度を適切に変更する。

偏向器６０５にポリゴンミラーを用いる場合には、偏向器側の走査レンズ６０６１をポリゴンミラー６０５に近付けて配すると、風切り音による騒音が大きくなってしまうという問題点がある。この問題を解決するために、ポリゴンミラーの風切り音を小さくするための装置が提案されている（たとえば、特許文献１乃至５）。

一方で、偏向器６０５にガルバノミラーを用いる場合には、走査レンズとしてfarcsinθレンズを備えた走査光学系も良く知られている。特に、シリコン基板上に直接MEMS(Micro-Electromechanical Systems)加工などを施した小型の揺動振動子ミラーを用いた場合、風切り音による騒音の問題を解決することができる。ガルバノミラーを使用した走査光学系は、たとえば、特許文献６に開示されている。

ここで、farcsinθレンズについて説明する。ガルバノミラーのように正弦振動する偏向器の振り角θ(t)は

θ(t)=ψ・sin(t/T)

となる。ここで、ψは最大振り角、Ｔは周期、ｔは時間を表す。他方、像高h(t)と時間ｔとの関係は以下の式を満たす必要がある。

h(t) = v・t

ここで、ｖは像面上の走査速度である。

他方、走査光束の角速度をφ(t)、走査レンズ中央の主方向の焦点距離をｆとすると、以下の関係が成立する。

v = f・φ(0) = f・θ’(0) = f・ψ/T

上記３式からｔを消去して整理すると、

h(θ) = v・T・arcsin(θ/ψ) = f・ψ・arcsin(θ/ψ)

となる。このような振り角θ(t)と像高h(t)との関係を満たすレンズをfarcsinθレンズという。

風切り音による騒音の問題を解決したとして、走査レンズ６０６１を偏向器６０５に近づけようとすると別の問題が生じる。この別の問題について以下に説明する。

図７は、偏向器の周辺の光路図を示す図である。入射光学系からの光束ｂは、偏向器６０５の面で向きを変えて走査レンズ系６０６への光束ｃとなる。偏向器６０５の面の幅をｄで示す。ここで、線ａは、偏向器６０５の面の中心と走査面の中心とを結ぶ線である。また、角度αは、線ａと光束ｂの光路とのなす角度である。角度βは、線ａと光束ｃの光路とのなす角度である。偏向器６０５の面が線ａに対する角度を変えるにしたがって、角度βは変化し、光束ｃの走査が行われる。図７において、角度βは、線ａを基準として、正負の角度β０以下の範囲で変化する。

ここで、走査レンズ６０６１を偏向器６０５にできるだけ近づけると、図６の場合のように、偏向器６０５に入射する光束の方向を変更する反射鏡６０４を備えるスペースはなくなる。また、線ａを基準として、正負の角度β０以下の範囲には、偏向器６０５に近接して、走査レンズ６０６１が配置されている。したがって、光源からの光束が走査レンズ６０６１を透過しないように、線ａを基準として、正負の角度β０の外側の角度から、直接入射させることとなる。この場合に、線ａと光束ｂの光路とのなす角度αは、角度β０よりも大きくなる。これは、入射系から見たミラーの立体角が小さくなることを意味するので、その分、偏向器の反射面を大きくしなければならない。

偏向器６０５に揺動振動子ミラーを用いる場合、MEMSによる揺動振動子ミラーの反射面サイズは、直接コストに影響を与える部分である。したがって、偏向器の反射面を大きくするには大幅にコストが上昇する。また、通常はMEMS加工によるガルバノミラーには偏向面の手前にカバーガラスが挿入されているので、入射角があまりにも大きくなると全反射が起こり、入射光束が偏向面に届かなくなってしまう。

偏向器にポリゴンミラーを用いる場合にも、光源からの入射角が大きくなると同様の問題を生じ好ましくない。

上記のように、レーザ光源を使用した印字部用の走査光学系を小型化するには、偏向器の面への入射光束の角度を過度に大きくすることができず、偏向器と走査レンズとの距離を小さくするのが困難であるという問題点がある。

特開２０００−１１１８２３号公報 特開平９−３１１２８６号公報 特開平７−１１０４５２号公報 特開平６−３６１３号公報 特開平５−８８１０５号公報 特開２００５−１８０４０号公報

このように、偏向器と走査レンズとの距離を小さくしたコンパクトな走査光学系に対するニーズがある。また、このようなコンパクトな走査光学系を使用したレーザビームプリンタに対するニーズがある。

本発明による走査光学系は、光源からの光を偏向器によって偏向させ、走査レンズを通過させた後、像面上を主走査方向に走査する。本発明による走査光学系は、偏向器と走査レンズとの位置を近づけるように、当該光源の位置から主走査面に下した垂線の足が、主走査面内において偏向器の中心から走査レンズを見込む角度の範囲内に位置し、光源からの光が偏向器に到達するまでに、走査レンズを通過するように構成している。

このように配置することにより、偏向器の面への入射光束の角度を過度に大きくせずに、偏向器と走査レンズとを近づけることができ、コンパクトな走査光学系を実現することができる。

本発明の１実施形態による走査光学系は、光源からの光が走査レンズを２回通過した後に、光束の位相が走査像面と主光線の交点を中心とした参照球面に対して揃うように走査レンズを構成している。

したがって、波面収差の十分小さな走査光学系を実現することができる。

本発明の他の実施形態による走査光学系は、光源が主走査の行われる面内に配置される。

したがって、副走査方向の結像位置ズレが発生しにくく、結像位置ズレを防止するための構成上の工夫が不要である。

本発明の他の実施形態による走査光学系は、光源が、主走査の行われる面内に配置されず、光源からの光束が主走査の行われる面に対して傾きを有するように配置される。

したがって、光源、偏向器および走査レンズ系を、主走査の行われる面内に配置する、第１の実施形態の場合よりも小さな入射角を得やすいので、偏向器の偏向面をさらに小型化することができる。また、複数の光源から異なる角度で複数の光束を入射させることで単一の偏向器で複数の走査光が得られる。したがって、本実施形態は、マルチカラーのレーザープリンタなどに好適である。

本発明の他の実施形態による走査光学系は、偏向器に風切り音を抑えたポリゴンミラーを用いている。

したがって、走査レンズを偏向器に近づけても風切り音の問題が生じすることはない。

本発明の他の実施形態による走査光学系は、偏向器に揺動振動子を用いている。

したがって、走査レンズを偏向器に近づけても風切り音の問題が生じすることはない。

本発明の他の実施形態による走査光学系は、偏向器と走査レンズとをモジュール化している。

したがって、偏向器と走査レンズとの位置調整が不要である。

本発明の他の実施形態によるレーザビームプリンタは、本発明の走査光学系を使用している。

したがって、コンパクトで静かなレーザビームプリンタを実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態による走査光学系の構成を示す図である。

図１において、光源１０１から、画像信号に従って変調されたレーザ光が射出される。

射出されたレーザ光はコリメータレンズ１０２によって収束光束に変換される。この光束が、揺動振動子ミラーである偏向器１０５によって周期的に偏向され、farcsinθ特性を有する走査レンズ系１０６によって像面１０７上にスポット状に結像されながら走査される。このようにしてレーザ印刷部の画像が生成される。ここで、走査レンズ系１０６は、レンズ１０６１および１０６２から構成される。

図１において、光源１０１、偏向器１０５、コリメータレンズ１０２および走査レンズ系１０６は、同一面（主走査の行われる面）内に配置する。また、光源１０１は、主走査面内において偏向器の中心から走査レンズを見込む角度の範囲内に配置するので、光源１０１からの光束は、走査レンズ系１０６を透過した後に、偏向器１０５に到達する。このように配置することにより、偏向器１０５の面への入射光束の角度を過度に大きくせずに、偏向器１０５と走査レンズ系１０６とを近づけることができる。

本実施形態においては、光源１０１、偏向器１０５および走査レンズ系１０６は、主走査の行われる面内に配置するので、副走査方向の結像位置ズレが発生しにくい。したがって、結像位置ズレを防止するための構成上の工夫が不要である。

走査光学系における光学素子の配置を表１に示す。

偏向器１０５の面の中心と像面中心とを結ぶ直線（図１における一点鎖線）上において、偏向器１０５の面の中心と走査レンズ１０６１の光源側の面Ｓ１との間の距離は５．００ｍｍ、走査レンズ１０６１の光源側の面Ｓ１と像側の面Ｓ２との間の距離は２．００ｍｍ、走査レンズ１０６１の像側の面Ｓ２と走査レンズ１０６２の光源側の面Ｓ３との間の距離は１０．００ｍｍ、走査レンズ１０６２の光源側の面Ｓ３と像側の面Ｓ４との間の距離は３．００ｍｍ、走査レンズ１０６２の像側の面Ｓ４と像面との間の距離は、１７５．４３ｍｍである。

本実施形態においては、上記のように、偏向器と走査レンズ間の距離は、５ｍｍである。これに対して、従来の走査光学系では、偏向器であるポリゴンミラーと走査レンズ間の距離は、通常３０ｍｍ以上である。

Ａ４サイズの用紙を対象にした、本実施形態の走査レンズ１０６１の長手方向長さは、約１５ｍｍ、走査レンズ１０６２の長手方向長さは、約３０ｍｍとなる。従来技術の走査レンズの長手方向長さが約１００ｍｍであるのと比較して、このサイズは格段にコンパクトとなる。

偏向器と走査レンズとの配置を正確に行うために、共通の母材上に配置してモジュール化してもよい。

走査レンズ１０６１および１０６２の各面のサグ量は以下の式で表せる。

上記の式において、ｘ方向は、副走査方向、ｙ方向は、主走査方向を示す。上記の式の係数を表２に示す。

ここで、走査レンズ１０６１および１０６２の、設計波長７８０ｎｍにおける屈折率は、１．５０４である。

従来技術の面倒れ補正を必要としない走査レンズ系は、一般に、偏向器から伝搬してくる特定の曲率半径の球面波をそのまま像面に走査結像する機能を有する。

これに対して、本発明の走査系レンズ１０６は、光源１０１からの球面波が、コリメータレンズ１０２、走査系レンズ１０６を通過し、偏向器１０５によって偏向され、再び走査系レンズ１０６を通過して球面波に戻るように設計されている。

図４は、光源１０１からの光束が走査レンズ系１０６を通過した後、偏向器１０５に入射する前の波面と参照球面との差分を示す図である。ここで、当該差分はコリメータレンズ１０２直後の開口からなる射出瞳を基準として計算している。波面と参照球面との差分の分布は、鞍型で一様ではない。

図５は、光束が、再び走査系レンズ１０６を通過した後の波面と参照球面との差分を示す図である。ここで、参照球面は、走査像面１０７と主光線の交点を中心とした球面である。波面と参照球面との差分の分布は、一様である。

図２および図３は、本発明の第２の実施形態による走査光学系の構成を示す図である。

図２において、光源２０１から、画像信号に従って変調されたレーザ光が射出される。射出されたレーザ光はコリメータレンズ２０２によって収束光束に変換される。この光束が、揺動振動子ミラーである偏向器２０５によって周期的に偏向され、farcsinθ特性を有する走査レンズ系２０６によって像面２０７上にスポット状に結像されながら走査される。このようにしてレーザ印刷部の画像が生成される。ここで、走査レンズ系２０６は、レンズ２０６１および２０６２から構成される。

図３は、本実施形態による走査光学系の、副走査の行われる面の断面図である。本実施形態においては、光源２０１およびコリメータレンズ２０２は、主走査の行われる面内には配置されず、光源２０１からの光束が、主走査の行われる面に対して所定の角度の傾きを有するように配置される。所定の角度は、３度から１５度の範囲が好ましい。

本実施形態においては、光源２０１からの光束が、主走査の行われる面に対して所定の角度の傾きを有するように配置されるので副走査方向の結像位置ズレを考慮する必要がある。このため、走査レンズ１０６１に副走査方向に非対称の構造を設けて補正する必要がある。しかしながら、光源１０１、偏向器１０５および走査レンズ系１０６を、主走査の行われる面内に配置する、第１の実施形態の場合よりも小さな入射角（図７のα）を得やすいので、偏向器１０５の偏向面をさらに小型化することができる。また、複数の光源から異なる角度で複数の光束を入射させることで単一の偏向器で複数の走査光が得られる。したがって、本実施形態は、マルチカラーのレーザープリンタなどに好適である。

光源２０１は、主走査面内において偏向器の中心から走査レンズを見込む角度の範囲内に配置するので、光源２０１からの光束は、走査レンズ系２０６を透過した後に、偏向器１０５に到達する。このように配置することにより、偏向器２０５の面への入射光束の角度を過度に大きくせずに、偏向器２０５と走査レンズ系２０６とを近づけることができる。

走査光学系における光学素子の配置を表３に示す。

偏向器２０５の面の中心と像面中心とを結ぶ直線（図２の一点鎖線）上において、偏向器２０５の面の中心と走査レンズ２０６１の光源側の面Ｓ１との間の距離は５．００ｍｍ、走査レンズ２０６１の光源側の面Ｓ１と像側の面Ｓ２との間の距離は２．５０ｍｍ、走査レンズ２０６１の像側の面Ｓ２と走査レンズ２０６２の光源側の面Ｓ３との間の距離は１０．００ｍｍ、走査レンズ２０６２の光源側の面Ｓ３と像側の面Ｓ４との間の距離は４．００ｍｍ、走査レンズ２０６２の像側の面Ｓ４と像面との間の距離は、１７３．７７ｍｍである。

面Ｓ２における副走査方向偏心量は、１．５０ｍｍ、面Ｓ３における副走査方向偏心量は、１．５０ｍｍである。ここで、副走査方向偏心量とは、図３において折り返しミラー後の主光線を光軸としたときにこの光軸と各レンズの頂点（多項式表示に用いるローカル座標がｘ＝ｙ＝０となる点）との距離である。

偏向器と走査レンズとの配置を正確に行うために、共通の母材上に配置してモジュール化してもよい。

走査レンズ２０６１の光源側の面Ｓ１のサグ量は以下の式で表せる。

走査レンズ２０６１の像側の面Ｓ２と走査レンズ２０６２の像側の面Ｓ４のサグ量は以下の式で表せる。

走査レンズ２０６２の光源側の面Ｓ３は、一般的な軸対称非球面であり、サグ量は以下の式で表せる。

上記の式において、ｘ方向は、副走査方向、ｙ方向は、主走査方向を示す。上記の式の係数を表４乃至６に示す。

ここで、走査レンズ２０６１および２０６２の、設計波長７８０ｎｍにおける屈折率は、１．５０４である。

本発明の第１の実施形態による走査光学系の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態による走査光学系の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態による走査光学系の、副走査の行われる面の断面図である。 光源からの光束が走査レンズ系を通過した後、偏向器に入射する前の波面と参照球面との差分を示す図である。 光束が、再び走査系レンズを通過した後の波面と参照球面との差分を示す図である。 レーザを光源として使用するプリンタや複写機の、従来技術による印刷部の構成を示す図である。 偏向器の周辺の光路図を示す図である。

符号の説明

１０１、２０１、６０１…光源、１０５、２０５、６０５…偏向器、１０６、２０６、６０６…走査レンズ系、１０７、２０７、６０７…像面

Claims (8)

1. 光源からの光を偏向器によって偏向させ、走査レンズを通過させた後、像面上を主走査方向に走査する走査光学系であって、偏向器と走査レンズとの位置を近づけるように、当該光源の位置から主走査面に下した垂線の足が、主走査面内において偏向器の中心から走査レンズを見込む角度の範囲内に位置し、光源からの光が偏向器に到達するまでに、走査レンズを通過するように構成した走査光学系。
2. 光源からの光が走査レンズを２回通過した後に、光束の位相が走査像面と主光線の交点を中心とした参照球面に対して揃うように走査レンズを構成した請求項１に記載の走査光学系。
3. 光源が主走査の行われる面内に配置される請求項１または２に記載の走査光学系。
4. 光源が、主走査の行われる面内に配置されず、光源からの光束が主走査の行われる面に対して傾きを有するように配置される請求項１または２に記載の走査光学系。
5. 偏向器に風切り音を抑えたポリゴンミラーを用いた請求項１から４のいずれか一項に記載の走査光学系。
6. 偏向器に揺動振動子を用いた請求項１から４のいずれか一項に記載の走査光学系。
7. 偏向器と走査レンズとをモジュール化した請求項１から６のいずれか一項に記載の走査光学系。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の走査光学系を使用した、レーザビームプリンタ。
   
   

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