JP2006301299A - レーザ走査装置、画像形成装置、レーザ走査方法及び画像形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光源からの光束を偏向手段に導く光学系が少なくとも一つの回折光学面と、少なくとも一枚の樹脂レンズとを有することにより、小径なビームスポットが得られ、且つ、高速書込が可能で、低コストで、しかも環境温度が変化しても画像劣化が発生しない。
【選択図】 図6
Description
回折光学素子や走査光学装置としては、軸外における回折効率の低下を低減し、被走査面上における像面照度の均一性を高め、諸変動による収差変化が少なく高精細印字に適した回折光学素子及びそれを用いた走査光学装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、光スポットについては、スポット径の変動を軽減し、なおかつ小径で良好な光スポットを実現した走査結像光学系・光走査装置及び画像形成装置が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
この様な短波長のレーザを用いる利点は同じNAでより小径なビームスポットが得られるからである。NAを大きくするにはレンズの有効径を大きくしなければならず、製造コストが増大する。また、低コストを狙う為に構成レンズの樹脂化を押し進めることが望まれている。
特に、光源波長500nm以下では、樹脂製レンズの波長変化による屈折率の変動が赤外光や赤色の光源で使うよりも大きく、その影響は無視できない(図1)。
ここで、図1は樹脂製レンズにおける波長と屈折率との関係を示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が屈折率を示す。
ここで、光源の波長の下限は、紫外線領域までであるのが好ましい。これは、波長変化に対する屈折率変化が急峻になる位置が存在するためである(図1参照)。
ここで、0<Δ/d<0.165とするのは、回折効率が80%を切らない限度であり、これ以上回折効率が低下すると像面での光量が不足し、感光体への十分な書込ができなくなるためである。
ここで、複数の光束を出射することにより、書込の高速化が出来るが、これは、複数の光束を射出すれば1回の走査で出射光束数倍の書込が一度に出来るためである。
ここで、オーバーフィルド光学系を用いることにより、ポリゴン面を小さくすることができ、ポリゴン面数増やすことにより、高速書込が可能でありながら小径ビームスポットが得られる。
オーバーフィールド光学系とは、ポリゴン面の主走査方向の幅が主走査方向の光束幅より小さいものをいい、ビームスポット径は光束幅に比例し波長に反比例することが理論的に証明されている。
これに対して、アンダーフィールド系とは、入射光束よりも反射面の主走査方向幅が広いので、ポリゴン反射面の前段にアパーチャを備えることにより、反射後の光束の主走査方向の幅が規定される。
従って、光源の波長は500nm以下に短波長化すれば光束幅は小さくなり、必然的にポリゴン面の主走査方向の幅も狭くせざるを得なくなる。このようにすれば、ポリゴン面数も増え、ポリゴン1回転での走査数も増えるので高速化が可能となる。
〔倍率変化の補正原理〕
1.走査光学系における樹脂レンズの屈折面の温度特性走査光学系に樹脂レンズを用いた場合、温度上昇時に屈折面にて、以下の現象が発生する。
(1)熱膨張による相似変形により、屈折面の曲率半径が大きくなり、光線の偏角が小さくなる。
(2) 温度上昇による屈折率低下により、屈折面ではさらに光線の偏角が小さくなる。
(3) LD(レーザーダイオード)光源では温度上昇によって発振波長が長波長側にシフトする。このため、樹脂レンズの屈折率低下が波長が長くなった分発生するので、屈折面ではさらに光線の偏角が小さくなる。これにより、図2に示すように、λt1>λt2(温度t1<t2で、λt1:温度t1での偏角、λt2:温度t2での偏角)となり、主走査方向書込位置が理想位置より周辺にずれる。
ここで、図2は温度変化による主走査方向書き込み位置の変化を示す図である。
ここで、図3(a)、(b)は光線波長と偏角との関係を示す図である。
ここで、図4は屈折面及び回折面で生じる書き込み位置変化を示す図である。
1.樹脂レンズの屈折面の温度特性走査光学系に樹脂レンズを用いた場合、温度上昇時に屈折面にて、以下の現象が発生する。
(1)熱膨張による相似変形により、屈折面の曲率半径が大きくなり、焦点距離が長くなる。
(2) 温度上昇による屈折率低下により、屈折面ではさらに焦点距離が長くなる。
(3) LD光源では温度上昇によって発振波長が長波長側にシフトするため、樹脂レンズの屈折率低下が波長が長くなった分発生するため、屈折面ではさらに焦点距離が長くなる。従って、像面位置は後方に移動する。
しかし、発振波長が500nm以上で小径ビームスポットを得るためには、走査光学系に入射する光束幅を大きくせねばならず、必然的にポリゴン面も大きくせねばならず前述のメリットが得られない。
従って、オーバーフィルド光学系において、発振波長を500nm以下とすれば小径ビームスポットが得られ、ポリゴン面数増やすことにより高速書込も可能なレーザ走査装置が可能となる。また、発振波長が500nm以下では、光束の樹脂レンズ透過距離に比例して生じる吸収による光量減少の効果が著しい。
以下に数値実施例を挙げる。
先ず、レンズが全て樹脂で、回折光学面を用いない従来の走査光学系の例を挙げる。従来の走査光学系の光路図を図5(a)、(b)、(c)に示す。図5(a)は実体図であり、図5(b)は図5(b)を簡素化した光路図であり、図5(c)は図5(b)に示した各部材の距離を示す。
また、光源1とカップリングレンズ2は材質がアルミである同一の部材に固定されている。
光源波長は25℃で405.0nmとし、45℃で411.4nmとした。
カップリングレンズ2については以下の通りである。
光源側面形状は、式(1)で表される共軸非球面である。
x=(h∧2/R)/[1+√[1−(1+K)(h/R) ∧2]]+A4・h∧4+A6・h∧6+A8・h∧8
+A10・h∧10 ……(1)
ここで、光軸からの距離をhとし、近軸曲率半径をRとし、円錐定数をKとし、高次の係数をそれぞれA4、A6、A8、A10とし、光軸方向のデプスをxとする。また、「∧」は乗数を表し、例えばh∧2はhの2乗(h2)を意味する。
R = 86.09118
K = 361.987634
A4 =−0.827025E−04
A6 =−0.413360E−05
A8 = 0.942600E−06
A10=−0.936986E−07
R =−9.13000
K =−0.310240
A4 = 0.592273E−04
A6 = 0.250465E−06
A8 = 0.119847E−06
A10=−0.563217E−08
光源側面形状は、式(2)で表されるアナモルフィック面である。
x=[(1/Rm)・y∧2+(1/Rs)・z∧2]/[1+√[1− (y/Rm) ∧2−(z/Rs) ∧]]
……(2)
ここで、光軸からの主走査方向距離をyとし、副走査方向距離をzとし、主走査方向曲率半径をRmとし、副走査方向曲率半径をRsとし、光軸方向のデプスをxとする。係数は以下の通りである。
Rm=500
Rs=40.55
R =−312.6
K = 2.667
A4 = 1.79E−07
A6 =−1.08E−12
A8 =−3.18E−14
A10= 3.74E−18
R =−83.0
K = 0.02
A4 = 2.50E−07
A6 = 9.61E−12
A8 = 4.54E−15
A10=−3.03E−18
x=(y∧2/Rm)/[1+√[1−(1+K)(y/Rm) ∧2]]+A4・y∧4+A6・y∧6
+A8・y∧8+A10・y∧10 ……(3)
ここで、光軸からの主走査方向距離をyとし、主走査近軸曲率半径をRmとし、円錐定数をKとし、高次の係数をそれぞれA4、A6、A8、A10とし、光軸方向のデプスをxとする。
ここで、光軸からの主走査方向距離をyとし、光軸からの主走査方向距離yでの副走査半径をRs(y)とし、光軸上での副走査半径をRsとし、高次の係数をbj (j=1,2,3,…)とする。
Rm =−500
K =−71.73
A4 = 4.33E−08
A6 =−5.97E−13
A8 =−1.28E−16
A10= 5.73E−21
Rs =−47.7
b2 = 1.60E−03
b4 =−2.32E−07
b6 = 1.60E−11
b8 =−5.61E−16
b10= 2.18E−20
b12=−1.25E−24
ここで、光軸からの主走査方向距離をyとし、副走査近軸曲率半径をRsとし、光軸方向のデプスをxとする。
Rm=−1000
Rs=−23.38
また、両面の頂点は、図1の主光線に対して、図上方へ1.21mmずれている。 面間隔は以下の通りである。
d1 = 12.843
d2 = 3.8
d3 = 102.8
d4 = 3.0
d5 = 69.3
d6 = 51.7
d7 = 31.4
d8 = 78.0
d9 = 3.5
d10= 143.62
レンズは全て同一の樹脂材料から成り、屈折率は、光線波長が405.0nmかつ温度が25℃であるとき1.54586とし、光線波長が411.4nmかつ温度が45℃であるとき1.54358とし、線膨張係数を7.0E−05K∧−1とした。
本発明に係る走査光学系の光路図の一実施例を図6(a)、(b)、(c)に示す。図6(a)は実体図であり、図6(b)は図6(b)を簡素化した光路図であり、図6(c)は図6(b)に示した各部材の距離を示す。
ここで、レンズは全て樹脂製である。
特に光源波長が500nm以下であり、且つ本光学系は樹脂レンズを含むため、屈折面で発生する温度変化による像面位置ずれが大きく、回折光学素子による補正が必須である。
カップリングレンズ2の回折光学素子は光軸を中心とした同心円の格子が刻まれている。
回折光学素子を樹脂とし、図9に示す様なレンズ面の凹凸により光束に位相変調与える方式とすれば、金型にこの凹凸の陰画を刻み、射出成形やモールド成形等で製造する成形加工品とすれば、大量生産が可能となり、低コストになるので望ましい。
光源波長は25℃で405.0nmとし、45℃で411.4nmとした。 カップリングレンズ2については以下の通りである。
光源側面形状は、同心円格子の回折光学素子である。回折光学素子の位相関数φ(h)は、式(6)で表される。
φ(h)=C1・h∧2 ……(6)
C1= −5.9759E−03
像面側面形状は、式(1)で表される非球面であり、係数は以下の通りである。
R =−22.03721
K =−71.517137
A4 =−0.816702E−03
A6 = 0.557821E−04
A8 =−0.368988E−05
A10= 0.138591E−06
光源側面形状は、主走査方向は平面、副走査方向は式(7)で表される非円弧形状である。
x=(z∧2/Rs)/[1+√[1−(1+K)(z/Rs) ∧2]]+B4・z∧4+B6・z∧6+B8・z∧8
+B10・z∧10 ……(7)
ここで、光軸からの副走査方向距離をzとし、副走査方向近軸曲率半径をRsとし、円錐定数をKとし、高次の係数をそれぞれA4、A6、A8、A10とし、光軸方向のデプスをxとする。
Rs = 378.06921
K =−0.072542
B4 =−0.378609E−04
B6 = 0.965712E−04
B8 =−0.104802E−03
B10= 0.398851E−04
φ(z)=C1・z∧2 ……(8)
C1=−3.1000E−03
光源側面形状は、主走査面内における面形状は式(9)で表される非円弧形状をなしている。
x=(y∧2/Rs)/[1+√[1−(1+K)(y/Rs) ∧2]]+A4・y∧4+A6・y∧6
+A8・y∧8+A10・y∧10 ……(9)
Cs(Y)=1/Rs(0)+B1・Y+B2・Y∧2+B3・Y∧3+B4・Y∧4+ B5・Y∧5 ……(10)
Rm =−279.9
Rs =−61.0
K = 2.900000E+01
A4 = 1.755765E−07
A6 =−5.491789E−11
A8 = 1.087700E−14
A10=−3.183245E−19
A12=−2.635276E−24
B1 =−2.066347E−06
B2 = 5.727737E−06
B3 = 3.152201E−08
B4 = 2.280241E−09
B5 =−3.729852E−11
B6 =−3.283274E−12
B7 = 1.765590E−14
B8 = 1.372995E−15
B9 =−2.889722E−18
B10=−1.984531E−19
R =−83. 6
K = −0.549157
A4 = 2.748446E−07
A6 = −4.502346E−12
A8 = −7.366455E−15
A10= 1.803003E−18
A12= 2.727900E−23
光源側面形状は、主走査面内における面形状は式(9)で表される非円弧形状をなしている。副走査曲率は光軸からの主走査方向距離に応じて式(10)で表されるように変化している。係数は以下の通りである。
Rm = 6950
Rs = 110.9
K = 0.000000E+00
A4 = 1.549648E−08
A6 = 1.292741E−14
A8 =−8.811446E−18
A10=−9.182312E−22
B1 =−9.593510E−07
B2 =−2.135322E−07
B3 =−8.079549E−12
B4 = 2.390609E−12
B5 = 2.881396E−14
B6 = 3.693775E−15
B7 =−3.258754E−18
B8 = 1.814487E−20
B9 = 8.722085E−23
B10=−1.340807E−23
Rm = 766
Rs =−68.22
K = 0.000000E+00
A4 =−1.150396E−07
A6 = 1.096926E−11
A8 =−6.542135E−16
A10= 1.984381E−20
A12=−2.411512E−25
B2 = 3.644079E−07
B4 =−4.847051E−13
B6 =−1.666159E−16
B8 = 4.534859E−19
B10=−2.819319E−23
d1 = 26.07144
d2 = 3.8
d3 = 102.8
d4 = 3.0
d5 = 121.7448
d6 = 64.00685
d7 = 22.6
d8 = 75.85
d9 = 4.9
d10= 158.71
ここで、回折光学面の理想のデプスをdとし、実際のデプスと理想のデプスの差をΔとした時に、回折効率とΔ/dとは図11に示すような関係がある。
図11は回折効率とΔ/dとの関係を示す図であり、横軸がΔ/dを示し、縦軸が回折効率を示す。
Δ/dが大きくなるにつれて回折効率が落ちている。すなわち、光量が減少する。ここで、回折効率が80%を下回ると十分な書込光量が得られない。回折効率が80%となるΔ/dは0.165である。従って、0<Δ/d<0.165を満たすことが望ましい。さらに本実施例の様に回折面を2面持つ場合には、Δ/d<0.15であるとより望ましい。なお、実施の形態の光走査装置はシングルビーム方式であるが、光源として複数の半導体レーザからの光束をプリズム等で合成する方式や半導体レーザアレイを用いることにより、光走査をマルチビーム方式で行うことも出来る。
この画像形成装置は光プリンタであり、感光媒体として円筒状に形成された光導電性の感光体111を有し、その周辺に帯電手段112(帯電ローラによる接触式のものを示しているが、コロナチャージャや帯電ブラシを用いることもできる)、現像装置113、転写手段114(転写ローラを示しているがコロナチャージャを用いるものであってもよい)、クリーニング装置115を有している。符号116は定着装置を示す。また、光走査装置117を有し、帯電手段112と現像装置113との間で光走査による画像書き込みを行うようになっている。
具体的には以下の作用、効果を持つ。
1.第1光学系に回折光学面を用いることにより、環境温度変化による像面位置変動を補償することが出来る。
2.回折光学面を凹凸形状とし、成型加工品とすることにより、低コストでの大量生産が可能になる。
3.回折光学面の理想のデプスをdとし、実際のデプスと理想のデプスとの差をΔとした時に、Δ/d<0.165を満たすことにより、十分な光量を得ることができる。
4.走査光学系が、光源波長が伸びるに従ってパワーが強くなり、且つ、光軸上から軸外へ向かうに従って透過光量が低下する光学機能部分を有することにより環境温度変化による倍率変動の補償と、シェーディング低減とを行うことが出来る。
5.光学機能部分は、回折光学面を用いることにより実現することが出来る。
6.回折光学面を凹凸形状とし、成型加工品とすることにより、低コストでの大量生産が可能になる。
7.回折光学面のバックカット面を、光軸上から軸外へ向かうに従って光線入射方向に対する角度を大きくすることにより、シェーディングを低減することが出来る。
8.複数の光束を射出することにより、書込の高速化を図ることができる。
9.オーバーフィルド光学系を用いることにより、ポリゴン面を小さくすることができる。
10.ポリゴン面数増やすことにより、高速書込が可能となると共に小径ビームスポットを得ることができる。
2 カップリングレンズ
3 アパーチャ
4 アナモルフィックレンズ
5 ポリゴンミラー
6 偏向器側走査レンズ
7 像面側走査レンズ
8 防塵ガラス
9 像面
10 防音ガラス
Claims (30)
- 光源と、該光源からの光束をカップリングするカップリング光学系と、該カップリング光学系からの光束を主走査方向に偏向させる偏向器と、該偏向器により偏向された光束を集光させる走査光学系と、を備えたレーザ走査装置であって、
前記光源の波長が500nm以下であり、前記カップリング光学系からの光束を前記偏向器に導く第1光学系は少なくとも一つの回折光学面と、少なくとも一枚の樹脂レンズとを有することを特徴とするレーザ走査装置。 - 前記回折光学面は、平面又は曲面の光学面に設けられた凹凸から成ることを特徴とする請求項1記載のレーザ走査装置。
- 前記回折光学面の理想のデプスをdとし、実際のデプスと理想のデプスとの差をΔとした時に、
0<Δ/d<0.165
を満たすことを特徴とする請求項2記載のレーザ走査装置。 - 前記回折光学面を有する光学素子は、成形加工品であることを特徴とする請求項2または3記載のレーザ走査装置。
- 光源と、該光源からの光束をカップリングするカップリング光学系と、該カップリング光学系からの光束を偏向器に導く第1光学系と第1光学系からの光束を主走査方向に偏向させる偏向器と、前記偏向器により偏向された光束を集光させる走査光学系と、を備えたレーザ走査装置であって、
前記光源の波長は500nm以下であり、
前記走査光学系は、主走査方向に正のパワーを持つ少なくとも一枚の樹脂レンズと、
光源波長が伸びるに従って、パワーが強くなり、且つ、前記偏向器からの光束が光軸上から軸外へ向かうに従って透過光量が低下する少なくとも1つの光学機能部とを有することを特徴とするレーザ走査装置。 - 前記光学機能部は、回折光学面であることを特徴とする請求項5記載のレーザ走査装置。
- 前記回折光学面の回折効率は、前記偏向器からの光束が光軸上から軸外へ向かうに従って減少することを特徴とする請求項6記載のレーザ走査装置。
- 前記回折光学面は、平面又は曲面の光学面に設けられた凹凸から成ることを特徴とする請求項7記載のレーザ走査装置。
- 前記回折光学面のバックカット面は、前記偏向器からの光束が光軸上から軸外へ向かうに従って、光線入射方向に対する角度が大きくなるようにしたことを特徴とする請求項8記載のレーザ走査装置。
- 前記回折光学面を有するレンズは、成形加工品であることを特徴とする請求項9記載のレーザ走査装置。
- 前記光源波長が伸びるに従って、パワーが強くなる光学素子を用いることにより、温度変動に伴う像面位置ずれを補正するようにしたことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載のレーザ走査装置。
- 前記光源波長が伸びるに従って、パワーが強くなる光学素子を用いることにより、温度変動に伴う倍率変化を補正するようにしたことを特徴とする請求項5記載のレーザ走査装置。
- 前記光源は、複数の光束を出射するようにしたことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項記載のレーザ走査装置。
- 前記各光学系はオーバーフィルド光学系であることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項記載のレーザ走査装置。
- 請求項1から14のいずれか1項記載のレーザ走査装置を1つ以上用いたことを特徴とする画像形成装置。
- 光源からの光束をカップリング光学系でカップリングし、該カップリング光学系からの光束を偏向器で主走査方向に偏向させ、偏向された光束を走査光学系で集光させるレーザ走査方法であって、
前記光源の波長を500nm以下とし、少なくとも一つの回折光学面と少なくとも一枚の樹脂レンズとを有する第1光学系で前記カップリング光学系からの光束を前記偏向器に導くことを特徴とするレーザ走査方法。 - 平面又は曲面の光学面に設けられた凹凸から成る回折光学面を用いることを特徴とする請求項16記載のレーザ走査方法。
- 前記回折光学面の理想のデプスをdとし、実際のデプスと理想のデプスとの差をΔとした時に、
0<Δ/d<0.165
を満たすことを特徴とする請求項16記載のレーザ走査方法。 - 前記回折光学面を有する光学素子として成形加工品を用いることを特徴とする請求項17または18記載のレーザ走査方法。
- 光源からの光束をカップリング光学系でカップリングし、該カップリング光学系からの光束を偏向器で主走査方向に偏向させ、偏向された光束を走査光学系で集光させるレーザ走査方法であって、
前記光源の波長を500nm以下とし、
主走査方向に正のパワーを持つ少なくとも一枚の樹脂レンズと、光源波長が伸びるに従って、パワーが強くなり、且つ、前記偏向器からの光束が光軸上から軸外へ向かうに従って透過光量が低下する少なくとも1つの光学機能部とを有する前記走査光学系を用いることを特徴とするレーザ走査方法。 - 前記光学機能部として回折光学面を用いることを特徴とする請求項20記載のレーザ走査方法。
- 前記回折光学面の回折効率を、前記偏向器からの光束が光軸上から軸外へ向かうに従って減少させることを特徴とする請求項21記載のレーザ走査方法。
- 前記回折光学面として平面又は曲面の光学面に設けられた凹凸を用いることを特徴とする請求項22記載のレーザ走査方法。
- 前記回折光学面のバックカット面を、前記偏向器からの光束が光軸上から軸外へ向かうに従って、光線入射方向に対する角度が大きくなるようにすることを特徴とする請求項23記載のレーザ走査方法。
- 前記回折光学面を有するレンズとして成形加工品を用いることを特徴とする請求項24記載のレーザ走査方法。
- 前記光源波長が伸びるに従って、パワーが強くなる光学素子を用いることにより、温度変動に伴う像面位置ずれを補正することを特徴とする請求項16から25のいずれか1項記載のレーザ走査方法。
- 前記光源波長が伸びるに従って、パワーが強くなる光学素子を用いることにより、温度変動に伴う倍率変化を補正することを特徴とする請求項20記載のレーザ走査方法。
- 前記光源が複数の光束を出射することを特徴とする請求項16から27のいずれか1項記載のレーザ走査方法。
- 前記各光学系としてオーバーフィルド光学系を用いることを特徴とする請求項16から28のいずれか1項記載のレーザ走査方法。
- 請求項16から29のいずれか1項記載のレーザ走査方法を用いることを特徴とする画像形成方法。
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