JP2006259538A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単一の偏向器を用いて複数のビームを同時に偏向走査するに際して光路設定の自由度の向上、画像クロック信号や光源部のパワーの設定値の共通化などを達成できる光走査装置を得る。
【解決手段】 光源１，２から放射された第１及び第２のビームを主走査方向に偏向する偏向器５と、偏向走査された第１のビームを被走査面５１上に結像するレンズ２１，２２を含む第１結像光学系１１と、偏向走査された第２のビームを被走査面５２上に結像するレンズ２１，２２を含む第２結像光学系１２とを備えた光走査装置。主走査断面内において、第２結像光学系による偏向器から被走査面に至る第２光路長と、第１結像光学系による偏向器から被走査面に至る第１光路長とが異なり、かつ、第１結像光学系の合成焦点距離と第２結像光学系の合成焦点距離とが同一である。また、副走査断面内において、第１及び第２結像光学系の偏向器から被走査面に至る結像倍率が同一である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光走査装置、特に、画像データに基づいて変調された複数のビームを単一の偏向器を用いてそれぞれの被走査面上を走査する光走査装置に関する。

近年、フルカラーの複写機やプリンタなどの画像形成装置にあっては、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、ＢＫ（ブラック）の各色に対応して四つの感光体を並置し、各感光体上に形成された各色の画像を中間転写ベルトに順次転写して合成するタンデム方式が主流となっている。そして、この種のタンデム方式の画像形成装置には、例えば、各感光体上に単一の偏向器（ポリゴンミラー）を用いて４本のビームを同時に走査して画像を描画する光走査装置が搭載されている。

ところで、単一の偏向器を用いた光走査装置では、全てのビームが共通、もしくは、実質的に等価なレンズ系を透過した後、それぞれの色に応じた感光体上へと導かれるため、各ビームに対する光路長（偏向面から被走査面までの距離）は共通であることが必要とされていた。

しかしながら、光路長を共通とする従来の光走査装置では、以下のような課題が存在していた。
（１）光路長を共通に配置しようとする際、光走査装置を搭載する画像形成装置本体の内部構成上の制約などで折返し光路のレイアウトが不可能な場合が生じる。
（２）光路長を共通にするような光路が構成できたとしても、折返しミラーへの入射角が鈍角になりすぎて非常に幅広のミラーを必要とする場合が生じる。
（３）光路長を共通とする条件を満足するために多数枚の折返しミラーを必要とする場合がある。
（４）折返しミラーの傾きの変化を利用して複数のビーム間のレジストレーションの調整を行う際に、例えば、スキュー（走査線の傾き）と部分倍率（歪曲の色間差）が連動して変化してしまうため、独立した項目のみの調整が困難である。
（５）光路長を共通にするための分離ミラーの位置がレンズ系と干渉し、配置上の制約から光学性能を犠牲にしなければならない場合が生じる。

そこで、光路長を非共通にする技術として、特許文献１，２には、焦点距離の異なる走査レンズを適用することが開示されている。しかし、これらの先行技術では、画像クロック信号やレーザパワーの設定値が個別となっていまい、共通の光源部及びレーザ駆動回路を使用することができないという問題点を有していた。
特開２００２−５５２９３号公報 特開２００２−３６５５７３号公報

そこで、本発明の目的は、単一の偏向器を用いて複数のビームを同時に偏向走査するに際して光路設定の自由度の向上、画像クロック信号や光源部のパワーの設定値の共通化などを達成できる光走査装置を提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明は、
第１及び第２の光源部と、該第１及び第２の光源部からそれぞれ放射された第１及び第２のビームを主走査方向に偏向する偏向器と、該偏向器により偏向走査された第１のビームを被走査面上に結像する少なくとも二つの単レンズを含む第１結像光学系と、前記偏向器により偏向走査された第２のビームを被走査面上に結像する少なくとも二つの単レンズを含む第２結像光学系と、を備えた光走査装置であって、
主走査断面内において、第２結像光学系による偏向器から被走査面に至る第２光路長と、第１結像光学系による偏向器から被走査面に至る第１光路長とが異なり、かつ、第１結像光学系の合成焦点距離と第２結像光学系の合成焦点距離とが同一であること、
を特徴とする。

本発明に係る光走査装置においては、第１光路長及び第２光路長を独立に設定可能な構成としたため、分離ミラーの位置や折返しミラーへのビームの入射角の制約に拘束されずに高い自由度での光路設定が可能になり、折返しミラーの枚数を削減できる。また、折返しミラーへの入射角を鋭角にして必要幅を切り詰めることができる。折返しミラーへの入射角の設定に自由度が生じることから、レジスト調整の独立性が高まる。即ち、鈍角入射（スキュー調整に有効）と、鋭角入射（部分倍率調整に有効）とを使い分けることができる。しかも、主走査断面内において焦点距離を共通に設定したため、画像データに基づいて光源部を変調する際の画像クロック信号が共通となり、光源部の駆動パワーの設定値も共通となる。また、分離ミラーとの干渉を回避した光学性能重視のレンズ配置が可能となるが、この点は実施例を参照して詳述する。

本発明に係る光走査装置にあっては、副走査断面内において、第１及び第２結像光学系の偏向器から被走査面に至る結像倍率が同一であることが好ましい。このように設定することにより、第１及び第２結像光学系では主走査断面内での焦点距離も共通であるため、光源部から偏向器に至るまでの光学系を共通とした場合、光源部から被走査面間の全光学系の倍率が主・副走査断面内ともに第１及び第２結像光学系でそれぞれ等しくなる。従って、光源部と走査光学系全系との結合効率は第１及び第２結像光学系で等しいため、光源部、コリメータレンズ、アパーチャ、シリンダレンズなどで構成される完全共通な光源系を使用した場合に、被走査面上での同じパワーを得るための光源部自体の出力設定値も等しくすることができる。

また、本発明に係る光走査装置においては、分離ミラーで反射される側の光学系の光路長を、該分離ミラーで反射されない側の光学系の光路長よりも長く設定してもよい。さらに、第１及び第２結像光学系を構成するそれぞれの単レンズはそれぞれの面頂点位置が略同一であってもよい。この場合、各ビームに対するレンズ系を個別に設置することなく、単レンズとして樹脂材にて一体成形されたものを用いることができる。また、第１及び第２結像光学系を構成する単レンズの数が互いに異なり、複数のビームのうち特定のビームに対して専用の光学パワーを有する光学素子を設けてもよい。

以下、本発明に係る光走査装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。

（本発明の基本構成、図１参照）
図１（Ａ），（Ｂ）に本発明に係る光走査装置の基本構成を示す。図１（Ａ）は主走査断面を示し、図１（Ｂ）は副走査断面を示している。この光走査装置は、第１及び第２のレーザダイオード１，２、単一のポリゴンミラー５、ポリゴンミラー５で偏向されたビームをそれぞれ第１被走査面５１及び第２被走査面５２上に結像するための第１レンズ２１及び第２レンズ２２、分離ミラー３１、折返しミラー３２，３３，３４にて構成されている。ビームを第１被走査面５１に結像させる光学系を第１結像光学系１１と称し、第２被走査面５２に結像させる光学系を第２結像光学系１２と称する。

図１（Ｂ）の副走査断面内においては、実線で示した実際の折返し光路と点線で示した展開光路とを同時に示している。上下に振り分けられた光路（光学系１１，１２）のうち、上側のビーム（第１結像光学系１１）は第１レンズ２１及び第２レンズ２２を経た後、分離ミラー３１、折返しミラー３２，３３によって順次反射されて第１被走査面５１に導光される。また、下側のビーム（第２結像光学系１２）は第１レンズ２１及び第２レンズ２２を経た後、折返しミラー３４によって反射されて第２被走査面５２に導光される。

主走査断面においては、第１結像光学系１１と第２結像光学系１２とが同じ画角ωに対して同じ走査長Ｗが得られる。即ち、ｆθレンズ系の焦点距離が第１及び第２結像光学系１１，１２で同一であり、展開光路における偏向面から被走査面５１，５２に至る光路長が異なっている。第２結像光学系１２の光路長Ｌに対して第１結像光学系１１の光路長はＬ＋ΔＬである。

（実施例、図２参照）
図２に示す一実施例は、図１に示した基本構成をポリゴンミラー５の左右にそれぞれ設置した光走査装置であり、タンデム方式の画像形成装置に搭載するように構成したものである。図２（Ａ）は主走査断面を示し、図２（Ｂ）は副走査断面を示している。

右側の第１及び第２結像光学系１１，１２はそれぞれビームをＭ色（マゼンタ）の画像を形成する被走査面５１及びＣ色（シアン）の画像を形成する被走査面５２に結像させる。左側の第１及び第２結像光学系１１，１２はそれぞれビームをＹ色（イエロー）の画像を形成する被走査面５１及びＢＫ色（ブラック）の画像を形成する被走査面５２に結像させる。

このような構成からなる光走査装置においては、第１光路長Ｌ＋ΔＬ及び第２光路長Ｌを独立に設定可能な構成としたため、分離ミラー３１の位置や折返しミラー３２〜３４へのビームの入射角の制約に拘束されずに高い自由度での光路設定が可能になり、折返しミラーの枚数を削減できる。また、折返しミラー３２〜３４への入射角を鋭角にして必要幅を切り詰めることができる。折返しミラー３２〜３４への入射角の設定に自由度が生じることから、レジスト調整の独立性が高まる。即ち、鈍角入射（スキュー調整に有効）と、鋭角入射（部分倍率調整に有効）とを使い分けることができる。

しかも、主走査断面内において焦点距離を共通に設定したため、画像データに基づいてレーザダイオード１，２を変調する際の画像クロック信号が共通となり、レーザダイオード１，２の駆動パワーの設定値も共通となる。

また、第２レンズ２２に関しては、分離ミラー３１との干渉を回避した光学性能重視の配置が可能となる。即ち、光学性能上、第２レンズ２２を被走査面５１，５２側へ移動させたいといった場合に、第１及び第２結像光学系１１，１２の光路長を共通とする条件下では、第２レンズ２２が分離ミラー３１に干渉してしまう。分離ミラー３１を第２レンズ２２の移動分だけ被走査面５１，５２側へ移動させると、移動距離の２倍だけ光路長が伸びてしまうので分離ミラー３１は移動させられないからである。しかし、本実施例の如く光路長共通の条件を外すと、第２レンズ２２を移動させるのと同時に分離ミラー３１も移動が可能となる。

また、本実施例では、副走査断面内において、第１及び第２結像光学系１１，１２のポリゴンミラー５から被走査面５１，５２に至る結像倍率が同一である。このように設定することにより、第１及び第２結像光学系１１，１２では主走査断面内での焦点距離も共通であるため、レーザダイオード１，２からポリゴンミラー５に至るまでの光学系を共通とした場合、レーザダイオード１，２から被走査面５１，５２間の全光学系の倍率が主・副走査断面内ともに第１及び第２結像光学系１１，１２でそれぞれ等しくなる。

従って、レーザダイオード１，２と走査光学系全系との結合効率は第１及び第２結像光学系１１，１２で等しいため、レーザダイオード１，２、図示しないコリメータレンズ、アパーチャ、シリンダレンズなどで構成される完全共通な光源系（光源から偏向面までの光学系）を使用した場合に、被走査面５１，５２上での同じパワーを得るためのレーザダイオード１，２自体の出力設定値も等しくすることができる。

また、本実施例においては、分離ミラー３１で反射される側の第１結像光学系１１の光路長を、該分離ミラー３１で反射されない側の第２結像光学系１２の光路長よりも長く設定している。

（レンズの構成、図３参照）
ところで、第１及び第２結像光学系１１，１２を構成するそれぞれの第１及び第２レンズ２１，２２はそれぞれの面頂点位置を共通としている（図３参照）。これにて、各ビームに対するレンズ系を個別に設置することなく、単レンズとして樹脂材にて一体成形されたものを用いることができる。

なお、第１及び第２結像光学系１１，１２を構成する単レンズの数が互いに異なるのであれば、いずれかのビームに対して専用の光学パワーを有する光学素子を設けてもよい。

（光路解析、図４〜図６参照）
図４（Ａ）は主走査断面、図４（Ｂ）は副走査断面における前記第１及び第２結像光学系１１，１２の光路を解析的に説明するための概念図であり、関連する条件を表す光学諸量を記号で表現している。

走査レンズは２枚で構成され、主走査断面内においては、ポリゴンミラー５、第１レンズ２１（負レンズ）、第２レンズ２２（正レンズ）、感光体ドラム５０（被走査面）の順に配置されている。副走査断面内において、第１及び第２レンズ２１，２２はともに正レンズとして構成されている。

以下に示す数式１，２に図４に示した記号を使用して主走査断面内及び副走査断面内でレンズ系の満たすべき条件及び条件式をまとめた。前記第１及び第２レンズ２１，２２の主走査断面及び副走査断面内での屈折力はこれらの条件式において一般化して表現してあるため、正・負の組合せは数式１，２に記載したものに限定するものではなく、任意に設定可能である。

図４及び数式１，２において光学諸量を表す記号は次のとおりである。

ｆ_m：主走査断面における走査レンズ系の合成焦点距離
ｆ_m1：主走査断面における第１レンズの単体焦点距離
ｆ_m2：主走査断面における第２レンズの単体焦点距離
Ｓ_m1’：主走査断面における第１レンズのレンズバック
ｄ_m：主走査断面における第１及び第２レンズ間距離
Ｓ_m2：主走査断面における第２レンズの物体距離
Ｓ_m2’：主走査断面における第２レンズのレンズバック
ｆ_s：副走査断面における走査レンズ系の合成焦点距離
ｆ_s1：副走査断面における第１レンズの単体焦点距離
ｆ_s2：副走査断面における第２レンズの単体焦点距離
Ｓ_s1：副走査断面における第１レンズの物体距離
Ｓ_s1’：副走査断面における第１レンズのレンズバック
ｄ_s：副走査断面における第１及び第２レンズ間距離
Ｓ_s2：副走査断面における第２レンズの物体距離
Ｓ_s2’：副走査断面における第２レンズのレンズバック
β_s：副走査断面における走査レンズ系の全体倍率
β_s1：副走査断面における第１レンズ結像系の倍率
β_s2：副走査断面における第２レンズ結像系の倍率

図５（Ａ）は第１結像光学系１１の主走査断面、図５（Ｂ）は第２結像光学系１２の主走査断面における光路を解析的に説明するための概念図であり、関連する条件を表す光学諸量は図４と同じ記号で表現している。

主走査断面においては、第１及び第２結像光学系１１，１２のビームに対する合成焦点距離と、走査レンズ２１，２２の面頂点位置を共通にしながら光路長を異ならせており、ΔＬが第１及び第２結像光学系１１，１２間の光路長の差である。

図６（Ａ）は第１結像光学系１１の副走査断面、図６（Ｂ）は第２結像光学系１２の副走査断面における光路を解析的に説明するための概念図であり、関連する条件を表す光学諸量は図４と同じ記号で表現している。

副走査断面においては、第１及び第２結像光学系１１，１２のビームに対するポリゴンミラー５から被走査面（感光体ドラム５０）間の倍率を共通にしながら、しかも、第１及び第２レンズ２１，２２の面頂点位置はそれぞれの主走査断面内における位置と同一である条件を守りつつ共役長（光路長）を異ならせている。ΔＬが第１及び第２結像光学系１１，１２間の光路長の差である。この光路長差ΔＬは図５に示した主走査断面内における光路長差ΔＬと一致していることが必要である。

（光学系のコンストラクション）
ここで、前記数式１，２に示した条件式を全て満足する解としてのコンストラクション１〜４を以下の表１〜４に示す。

（レーザパワーと光学パラメータとの関係、図７〜図９参照）
次に、レーザパワーと光学パラメータとの関係について説明する。被走査面上で必要な露光量を得るためのレーザパワーＰは、以下の式（１）で与えられる。

Ｐ＝｛（Ｗ・Ｖ_p・Ｅ）／（ｎ・ρ・η_d）｝×１０^-6 …（１）
Ｐ（ｍＷ）：レーザパワー
Ｗ（ｍｍ）：主走査長
Ｖ_p（ｍｍ／ｓ）：被走査面副走査方向移動速度
Ｅ（ｍＪ／ｍ²）：被走査面上エネルギー密度
ｎ（−）：描画ビーム数
ρ（−）：発光デューティ
η_d（−）：走査効率

なお、発光デューティは１ドットの走査時間に対する実際の点灯時間の比であり、通常１であることが多い。走査効率η_dはポリゴンミラーが走査する場合、使用するポリゴンミラーの面数と走査レンズの画角とによって決まり、以下の式（２）で求められる。

η_d＝Ｎω／４π …（２）
Ｎ（−）：ポリゴンミラー面数
ω（ｒａｄ）：走査全画角

前式（１），（２）より、被走査面上でのレーザパワーＰは、主走査長Ｗに比例して画角ωに反比例する。この比Ｗ／ωは、よく知られているように、走査レンズ系の焦点距離ｆに他ならず、パワーＰが焦点距離ｆに比例している。即ち、異なる焦点距離の走査レンズを介して被走査面上に等しい露光量を与えようとした場合、走査レンズの焦点距離に比例したレーザパワーが被走査面上で必要であることを意味する。

従って、第１及び第２結像光学系の走査レンズの主走査断面内での焦点距離を等しくすることにより、被走査面上でのレーザパワーの設定値は共通となる。この点は、本発明で主走査断面内における焦点距離を共通化することの利点である。

そして、前式（１）で与えられるレーザパワーＰを得るために必要なレーザダイオードの出力は、以下の式（３）に示すように、結合効率と透過・反射効率とで決定される。

Ｐ₀＝Ｐ／（η・η_t） …（３）
Ｐ₀（ｍＷ）：レーザダイオード出力
η（−）：結合効率
η_t（−）：反射・透過効率

結合効率は、レーザダイオードが放射する光エネルギーのうち、実際に画像の書込みに使用される光エネルギーの比率を、開口規制により決まる立体角の範囲（開口角内）に含まれる部分の割合として求めたものである。反射・透過効率は、各光学素子で反射したり、それらを透過することにより減衰する割合を全て累積したものである。

前式（３）より、レーザダイオードの必要出力Ｐ₀は、被走査面上でのレーザパワーＰが同等である場合でも、結合効率に反比例した値の設定が必要であることを示している。即ち、結合効率を光源系を含む第１及び第２結像光学系で等しくするこにより、レーザダイオード自体の発光出力も等しい条件となることを示している。この点は、本発明で副走査断面内における結像倍率を第１及び第２結像光学系で同一とすることの利点である。

前記結合効率と全系倍率との関係をさらに補足的に説明する。結合効率に関与する光学パラメータは、レーザ波長λ、レーザ拡がり角θ_m，θ_s、全系倍率β_m，β_s、被走査面上ビーム径Ｄ_m，Ｄ_sである。これらのパラメータと結合効率との関係を図７及び図８に示す。

走査レンズの主走査断面内の物体距離が無限遠の場合（このときの走査レンズはｆθレンズと呼ばれる）、一般にコリメータレンズを出射するビームは、主・副走査断面内で平行光である。このときの主走査断面内全系倍率は以下の式（４）で表される。

β_m＝−ｆ_SL／ｆ_co …（４）
同様に、副走査断面内全系倍率は以下の式（５）で表される。

β_s＝β₁・β₂＝−（ｆ_cy／ｆ_co）・β₂ …（５）
β_m：全系主走査倍率
β_s：全系副走査倍率
β₁：光源〜ポリゴンミラー面間副走査倍率
β₂：ポリゴンミラー面〜被走査面間副走査倍率
ｆ_co：コリメータレンズ焦点距離
ｆ_cy：シリンダレンズ焦点距離
ｆ_SL：走査レンズ焦点距離

図８に示したそれぞれの式（ａ）〜（ｇ）の関係式は以下の数式３に示すとおりである。

また、前記（４），（５）の関係を図９に示す。このように、全系倍率β_m，β_sを第１及び第２結像光学系で等しく設定すれば、同じ波長λ、ビーム拡がり角θ_m，θ_sのレーザダイオードを使用し、同じ被走査面上でのビーム径Ｄ_m，Ｄ_sを得るための結合効率ηが等しくなることが分かる。即ち、結合効率を第１及び第２結像光学系で等しくしようとすれば、主走査断面内での全系倍率β_mと副走査断面内での全系倍率β_sとはそれぞれ第１及び第２結像光学系で等しくする必要があることを示す。

（他の実施例）
なお、本発明に係る光走査装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できることは勿論である。

本発明に係る光走査装置の基本構成図であり、（Ａ）は主走査断面を示し、（Ｂ）は副走査断面を示す。 本発明に係る光走査装置の一実施例を示す概略構成図であり、（Ａ）は主走査断面を示し、（Ｂ）は副走査断面を示す。 前記一実施例における走査レンズを示す断面図である。 前記一実施例における光路解析図であり、（Ａ）は主走査断面を示し、（Ｂ）は副走査断面を示す。 前記一実施例における主走査断面の光路解析図であり、（Ａ）は第１結像光学系を示し、（Ｂ）は第２結像光学系を示す。 前記一実施例における副走査断面の光路解析図であり、（Ａ）は第１結像光学系を示し、（Ｂ）は第２結像光学系を示す。 前記一実施例における全系倍率と結合効率との関係を示す光路図である。 前記一実施例における全系倍率と光学パラメータとの関係を示すチャート図である。 前記一実施例における全系倍率と光学パラメータとの関係を示す光路図である。

符号の説明

１，２…レーザダイオード
１１…第１結像光学系
１２…第２結像光学系
２１，２２…走査レンズ
３１…分離ミラー
３２〜３４…折返しミラー
５０…感光体ドラム
５１，５２…被走査面

Claims (6)

1. 第１及び第２の光源部と、
   前記第１及び第２の光源部からそれぞれ放射された第１及び第２のビームを主走査方向に偏向する偏向器と、
   前記偏向器により偏向走査された第１のビームを被走査面上に結像する少なくとも二つの単レンズを含む第１結像光学系と、
   前記偏向器により偏向走査された第２のビームを被走査面上に結像する少なくとも二つの単レンズを含む第２結像光学系と、
   を備えた光走査装置であって、
   主走査断面内において、第２結像光学系による偏向器から被走査面に至る第２光路長と、第１結像光学系による偏向器から被走査面に至る第１光路長とが異なり、かつ、第１結像光学系の合成焦点距離と第２結像光学系の合成焦点距離とが同一であること、
   を特徴とする光走査装置。
2. 副走査断面内において、第１及び第２結像光学系の偏向器から被走査面に至る結像倍率が同一であることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 分離ミラーで反射される側の光学系の光路長が、該分離ミラーで反射されない側の光学系の光路長よりも長いことを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 第１及び第２結像光学系を構成するそれぞれの単レンズはそれぞれの面頂点位置が略同一であることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
5. 第１及び第２結像光学系を構成する単レンズが一体成形されたものであることを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
6. 第１及び第２結像光学系を構成する単レンズの数が互いに異なり、複数のビームのうち特定のビームに対して専用の光学パワーを有する光学素子を設けたことを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。

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