JP2007133334A - 走査装置及び走査光学系 - Google Patents

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Abstract

【課題】ポリゴンミラーのサイズを小さくすることなく、副走査方向のジッター量を小さく抑えることが可能な走査装置を提供すること。
【解決手段】光源部10からの2本のレーザー光束をポリゴンミラー20で反射、偏向させ、fθレンズ30を介して走査対象面40上にスポットを形成する。2本のレーザー光束のそれぞれについて、走査対象面上で走査範囲の中心に達する状態において、レーザー光束の主光線が反射面21の主走査方向の中心から光源部10とは反対側に所定のシフト量ずれた位置で反射面21と交差するように設定されている。これにより走査範囲の両端部での副走査方向のジッター量をほぼ一致させている。
【選択図】図1

Description

本発明は、レーザープリンタ等に内蔵されて走査対象面上でレーザー光を走査させる走査装置及び走査光学系に関し、特に、副走査方向のジッターを抑えることができる走査装置及び走査光学系に関する。
レーザープリンタ等に内蔵される走査装置は、光源部から発したレーザー光束をポリゴンミラー等の偏向器により反射、偏向させ、fθレンズのような走査レンズを介して感光体ドラム等の走査対象面上にスポットとして結像させる。感光体ドラム上のスポットは、ポリゴンミラーの回転に伴って主走査方向に走査し、この際レーザー光をオンオフ変調することにより走査対象面上に静電潜像を形成する。
ポリゴンミラーの各反射面は、その回転軸と平行であることが望ましいが、完全に平行とすることは難しく、製造誤差によりある程度の傾きを持っている。この状態は、「面倒れ」と呼ばれている。走査装置には、一般に、この面倒れによる走査対象面上でのスポットの副走査方向のズレを補正するため、ポリゴンミラーの前後にアナモフィック光学系を用いている。すなわち、レーザー光源から発したレーザー光束は、副走査方向にのみパワーを持つシリンドリカルレンズによりポリゴンミラーの反射面近傍に線像を形成し、アナモフィックなfθレンズにより再度感光体ドラム上に収束する。これにより、面倒れがあった場合にも感光体ドラム状のスポットの位置が副走査方向にずれないように補正している。
一方、偏向器としてポリゴンミラーを利用する場合には、偏向点(レーザー光束の主光線とポリゴンミラーの反射面との交点)がポリゴンミラーの回転に伴い、入射するレーザー光束の主光線に沿って変位する。これを「偏向点変化」、その量を「偏向点変化量」と呼ぶ。偏向点変化は、ポリゴンミラーの回転軸から各偏向点までの距離が回転位置により変化することに起因する現象である。この偏向点変化のため、上記の線像がポリゴンミラーの反射面に一致するのは特定の回転位置においてのみとなり、他の回転位置では線像位置が反射面に一致せず、したがって、面倒れがあると走査対象面上のスポットの副走査方向の位置が主走査方向の位置により変化し、本来直線であるべき走査線が湾曲するという問題がある。このようなスポット副走査方向のズレを「副走査方向のジッター」、その変位量を「ジッター量」と呼ぶ。副走査方向のジッター量は、fθレンズの副走査方向の横倍率、ポリゴンミラーの反射面の面倒れ角度、および偏向点変化量の積により決まり、それぞれの値が大きいほどジッター量も大きくなる。
なお、従来の走査装置では、ポリゴンミラーの反射面を有効に利用するため、反射光が走査対象面の中心に向かう状態(基準状態)で反射面の主走査方向の中心にレーザー光束が入射するように設定されている。このような設定によると、光源部からのレーザー光束がポリゴンミラーに対して主走査面内で斜めに入射する場合、基準状態を中心にして偏向点変化が非対称となり、特に、レーザー光束が走査範囲の中心を境に光源部の反対側の端部に向かう際の偏向点変化量が著しく大きくなる。このため、光源部の反対側の端部におけるジッター量が非常に大きくなり、描画性能を悪化させる。
特許文献1には、6面以下のポリゴンミラーを用い、結像光学系の倍率、焦点距離、走査幅をパラメータとして求められた所定の値よりポリゴンミラーのサイズを小さくすることにより、副走査方向のジッターを描画上問題のないレベルに抑える技術が開示されている。
特開2004−177861号公報
しかしながら、特許文献1の技術では、ポリゴンミラーのサイズが一般的に用いられるものより小さくなるため、面数が同じであればサイズの大きなポリゴンミラーより偏向角度の範囲が狭くなり、ある程度の走査範囲を確保するためには面数が少なくなり、描画速度を高めることができない。
本発明は、以上の問題点を解決し、ポリゴンミラーのサイズを小さくすることなく、副走査方向のジッター量を小さく抑えることが可能な走査装置及び走査光学系を提供することを課題(目的)とする。
本発明にかかる走査装置及び走査光学系は、所定の回転軸回りに回転可能に設けられ、入射する光束を反射、偏向させるポリゴンミラーと、ポリゴンミラーによる光束の走査範囲外からポリゴンミラーにレーザー光束を入射させる光源部と、ポリゴンミラーにより偏向されたレーザー光束を走査対象面上で主走査方向に走査するスポットとして収束させる結像光学系とを備え、レーザー光束が走査対象面上で走査範囲の中心に達する基準状態において、レーザー光束の主光線が反射面の主走査方向の中心から光源部とは反対側に所定のシフト量ずれた位置で反射面と交差し、これにより走査範囲の両端部での副走査方向のジッター量をほぼ一致させたことを特徴とする。
また、基準状態におけるポリゴンミラーからの反射光と光源部からの入射光とのなす角度をα[°]、基準状態における前記ポリゴンミラーからの反射光と最大像高に向かう反射光とのなす偏向角をθMAX[°]、ポリゴンミラーの内接半径をR[mm]、シフト量をδ[mm]としたとき、以下の条件(1)を満たすことが望ましい。なお、最大像高は、装置の仕様で決まり、用紙の半幅にほぼ等しい値となる。例えばA4用紙用の走査装置では、最大像高は約108mm、A3用紙用の走査装置では、最大像高は約150mmとなる。
0.5≦δ/(R×tan(θMAX/4)×tan(θMAX/2)×tan(α/2)) ≦2 …(1)
光源部は、単一のレーザー光束を発生するものでもよいが、互いに独立して変調される複数のレーザー光束を発するものでもよい。複数のレーザー光束を発する場合には、これらの全てのレーザー光束について、走査範囲の両端部での副走査方向のジッター量をほぼ一致させる必要がある。
光源部が複数のレーザー光束を発する場合には、それらの主光線が、ポリゴンミラーの任意の回転位置で反射面の上の一点に入射するように設定することが望ましく、さらに、光源部に配置された単一のシリンドリカルレンズを複数のレーザー光束で共用するようにしてもよい。
本発明の走査装置及び走査光学系によれば、基準状態における偏向点の位置を主走査方向の中心から光源部の反対側にずらすことにより、レーザー光束が走査範囲の両端部に向かう際の偏向点変化量をほぼ等しくし、これにより、副走査方向のジッター量をほぼ等しくし、その最大値を小さくすることができる。したがって、ジッターに基づく走査線の湾曲を小さくし、高い描画性能を得ることができる。
具体的には、条件(1)を満たすことにより、上記の効果を得ることができる。条件(1)を満たさない場合には、レーザー光束が走査範囲の両端部に向かう際の偏向点変化量の差が大きくなり、ジッター量の差も大きくなるため、ジッター量の最大幅を小さく抑えることができない。
光源部が複数のレーザー光束を発する場合には、全てのレーザー光束について要件を満たすことにより、各レーザー光束により描画される走査線の湾曲を抑えることができ、かつ、各レーザー光束によるジッターの発生傾向も均一化されるため、全体での描画ムラも軽減することができる。また、副走査方向の像面の傾きを良好に補正することができる。
また、複数のレーザー光束の主光線がポリゴンミラーの任意の回転位置で反射面の上の一点に入射するように設定することにより、個々のシリンドリカルレンズのピントを独立して調整する必要がなくなり、収差を良好に補正しつつ、単一のシリンドリカルレンズを共用することができる。さらに、単一のシリンドリカルレンズを複数のレーザー光束で共用することにより、個々のレーザー光束毎にシリンドリカルレンズを配置するより部品点数を削減し、全体の構成を簡略化することができ、かつ、シリンダー誤差(設置誤差や面形状誤差)が両光束に対して同じ量だけ発生するため、複数の走査線間での描画性能差を減少させることができる。
以下、本発明にかかる走査装置(走査光学系)の実施形態について説明する。実施形態の走査装置は、レーザープリンタのレーザースキャンニングユニット(LSU)として使用され、入力される描画信号にしたがってON/OFF変調されたレーザー光束を感光体ドラム等の走査対象面上で走査させ、静電潜像を形成する。この明細書では、走査対象面上でスポットが走査する方向を主走査方向、これに直交する方向を副走査方向と定義し、各光学素子の形状、パワーの方向性は、走査対象面上での方向を基準に説明する。主走査方向に対して平行で結像光学系の光軸を含む平面を主走査面という。
実施形態の走査装置1は、主走査面内の平面図である図1に示されるように、光源部10から発したレーザー光束をポリゴンミラー20により反射、偏向させ、反射されたレーザー光束を結像光学系であるfθレンズ30により走査対象面40上にスポットとして収束させる。
光源部10は、2つの半導体レーザー11a,11bと、これらの半導体レーザーから発した発散光を平行光にするコリメートレンズ12a,12bと、副走査方向に正のパワーを有するシリンドリカルレンズ13a,13bとを備え、互いに独立して変調される2本のレーザー光束を、ポリゴンミラー20による光束の走査範囲外からポリゴンミラー20に入射させる。2本のレーザー光束は、図1に示されるように、主走査方向に所定の角度を持ち、副走査方向についても微小な角度差を有する。
ポリゴンミラー20は、7つの反射面21を持ち、主走査面に対して垂直な回転軸20a回りに図中時計回りに回転可能に設けられている。fθレンズ30は、ポリゴンミラー20の近傍に配置された第1走査レンズ31と、走査対象面40側に配置された第2走査レンズ32とを備える。第1走査レンズ31と第2走査レンズ32とは、いずれもプラスチックレンズである。
各半導体レーザー11a,11bから発してコリメートレンズ12a,12bにより平行光束とされたレーザー光束は、シリンドリカルレンズ13a,13bを介してポリゴンミラー20の近傍に線像を形成する。
ポリゴンミラー20で反射された光束は、主走査方向には図1に示すようにほぼ平行光として、副走査方向には発散光としてfθレンズ30に入射する。fθレンズ30を透過したレーザー光束は、走査対象面40上に主走査方向及び副走査方向に分離した2つのスポットを形成する。2つのスポットは、ポリゴンミラー20の回転に伴って走査対象面40上を開始端41から終了端42に向けて主走査方向に走査し、半導体レーザーを変調することにより、2本の走査線が同時に形成される。
なお、走査対象面40の開始端41の手前には、変調のための同期信号を得るための光検出センサー50が設けられている。
上記の走査装置1は、2本のレーザー光束のそれぞれについて、走査対象面上で走査範囲の中心に達する基準状態において、レーザー光束の主光線が反射面21の主走査方向の中心から光源部10とは反対側に所定のシフト量ずれた位置で反射面21と交差するように設定されている。これにより走査範囲の両端部での副走査方向のジッター量をほぼ一致させている。なお、基準状態での反射光の主光線は、主走査面に投影するとfθレンズ30の光軸に一致する。
具体的には、基準状態におけるポリゴンミラー20からの反射光と光源部10からの入射光とのなす角度をα[°]、基準状態におけるポリゴンミラー20からの反射光と最大像高に向かう反射光とのなす偏向角をθMAX[°]、ポリゴンミラー20の内接半径をR[mm]、シフト量をδ[mm]としたとき、各レーザー光束が以下の条件(1)を満たしている。
0.5≦δ/(R×tan(θMAX/4)×tan(θMAX/2)×tan(α/2)) ≦2 …(1)
また、2本のレーザー光束は、それぞれの主光線がポリゴンミラー20の所定の回転位置で反射面の上の一点に入射するように設定されている。これにより、副走査方向の像面の傾きを良好に補正することができる。後述の実施形態の設計では、反射面21がfθレンズ30の光軸に対して平行となる状態を基準にして、48.4°と65°の2つの回転位置で2本のレーザー光束の主光線が一点に入射する。
次に、図2及びその一部拡大図である図3に基づいて、条件(1)の導出について説明する。ここでは、1本のレーザー光束を例にして説明する。
図2に示すように、ポリゴンミラー20に入射するレーザー光束の主光線は、基準状態において、反射面21の主走査方向の中心M1に対して光源部10とは反対側にシフト量δだけずれた位置で反射面21と交差している。ここで、基準状態におけるポリゴンミラー20の反射面を21、基準状態からθ/2回転した後の反射面を21’とし、各面の主走査方向の中心位置(内接円との交点)をM1,M2、各面での偏向点をD1,D2、両反射面の交点をPとする。基準状態での反射光とθ/2°回転した後の反射光とのなす角度(偏向角)はθである。
図3にも示すように、基準状態の偏向点D1からθ/2回転した後の反射面21’におろした垂線の足の長さをC、この垂線と入射光の主光線とのなす角度をγ、点M1,P間の長さをAとすると、ポリゴンミラー20が基準状態からθ/2°回転した際の偏向点変化量ΔX(θ)は、以下の式(2)で表される。
C,A,γを式(2)に代入すると、以下の式(3)が導かれる。
走査範囲をfθレンズの光軸を境に二分し、光源部10の反対側をマイナス像高、光源部側をプラス像高とし、偏向角θについても同様に符号をつけることとする。開始端41に収束するレーザー光の偏向角を−θMAXとすると、終了端42に収束するレーザー光の偏向角は−θMAXとなる。したがって、偏向点変化によるジッターの発生量を走査範囲の両側で等しくするためには、
ΔX(θMAX)−ΔX(−θMAX)=0
が成立すればよい。上記の式に式(3)を代入すると、以下の式(4)となり、偏向角−θMAXの符号をプラスにして整理すると、式(5)が得られる。
ここで、各分母を加法定理により展開すると、以下の通りとなる。
上記の式のコサインの積をa、サインの積をbとすると、各項の分母は、a+b,a-bで表されるため、上記の式(5)は以下の式(6)のように表すことができる。
式(6)を整理してδについて解くと、式(7)が得られる。
ここで、a,bを戻すと、式(8)が得られる。
式(8)が成立する場合には、開始端41と終了端42とにおけるジッター量を一致させることができるが、完全に一致させなくとも、両者の比が0.5〜2.0の範囲であれば、ジッター低減の効果が得られる。そこで、実施形態の走査装置1は、上記の条件(1)を満たすように設計されている。
次に、実施形態の走査装置1の具体的な構成について説明する。実施形態においては、第1走査レンズ31のポリゴンミラー20側の第1面は凹の球面、走査対象面30側の第2面は凸の回転対称非球面、第2走査レンズ32の第1面は凹の回転対称非球面、第2面はアナモフィック非球面である。
回転対称非球面の形状は、光軸からの距離hにおける光軸と非球面との交点での接平面からのサグ量X(h)で表すことができ、そのサグ量は、以下の式で表される。
X(h)=h2/[r{1+√(1−(κ+1)h2/r2)}]+A4h4+A6h6
上式中、rは光軸上の曲率半径、κは円錐係数、A4,A6はそれぞれ4次、6次の非球面係数である。
また、アナモフィック非球面は、光軸から離れた位置での副走査方向の曲率半径が主走査方向の断面形状とは無関係に設定された回転軸を持たない非球面であり、主走査方向の断面形状X(y)、 副走査方向の曲率半径rz(y)は、光軸上での主走査方向の曲率半径をry0、円錐係数をκ、主走査方向のn次の非球面係数をAMn、主走査方向の各位置yにおける光軸上での副走査方向の曲率半径をrz0、副走査方向のn次の非球面係数をASnとして、それぞれ以下の式により求められる。
実施形態の走査装置1の具体的な数値構成を表1に示す。表1中の記号ryは各光学素子の主走査方向の曲率半径(単位:mm)、rzは副走査方向の曲率半径(回転対称面の場合には省略,単位:mm)、dは面間の光軸上の距離(単位:mm)、nλは設計波長での屈折率である。この例では、設計波長λは780nmである。
第5面、第6面の回転対称非球面を定義する円錐係数、非球面係数の値を表2、表3、第7面のアナモフィック非球面を定義する円錐係数、非球面係数の値を表4にそれぞれ示す。
実施形態の走査装置1の実際の描画範囲は像高−120mm〜120mmであるが、光検出センサー50の像高は−130mmであるため、像高−130mm〜130mmの両端において偏向点変化がほぼ等しくなるように設定している。
反射光が光検出センサー50に向かう時と基準状態とのポリゴンミラー20の回転角度差(θMAX/2)は17.242°である。また、第1の半導体レーザー11aから発したレーザー光束の主光線の入射角度αは72°、第2の半導体レーザー11bから発したレーザー光束の入射角度αは66°であり、基準状態での偏向点のシフト量δは、第1の半導体レーザー11aから発したレーザー光束については1.003mm、第2の半導体レーザー11bから発したレーザー光束については0.233mmである。
θMAX/2=17.242°、R=15.14mm、α=72°又は66°、δ=1.00mm又は0.34mmの各値を式(1)の中間項に代入すると、第1の半導体レーザー11aから発したレーザー光束については、
δ/(R×tan(θMAX/4)×tan(θMAX/2)×tan(α/2))
=1.003/(15.14×tan(8.621°)×tan(17.242°)×tan(36°))
=1.003/0.518
=1.936
第2の半導体レーザー11bから発したレーザー光束については、
δ/(R×tan(θMAX/4)×tan(θMAX/2)×tan(α/2))
=0.233/(15.14×tan(8.621°)×tan(17.242°)×tan(33°))
=0.233/0.463
=0.503
となり、共に条件(1)を満たしている。
図4は、実施形態の走査装置1の副走査方向のジッターを示す。図4(A)は第1の半導体レーザー11aから発したレーザー光束のジッター、(B)は第2の半導体レーザー11bから発したレーザー光束のジッターをそれぞれ示す。グラフの横軸はジッター量(単位:μm)、縦軸は像高y(単位:mm)を示している。ジッター量の幅は、いずれも1.5μm以下に抑えられている。また、各レーザー光束のジッターの発生傾向が均一化されている。
一方、図5は、実施形態とほぼ同様の構成で、基準状態においてポリゴンミラーの反射面の主走査方向の中心位置に入射光の主光線が入射するようにした比較例のジッターを示している。図5(A)はfθレンズの光軸に対して72°でポリゴンミラーに入射するレーザー光束のジッター、(B)は同じく66°で入射するレーザー光束のジッターをそれぞれ示す。特に66°のレーザー光束のジッターの非対称性が大きく、ジッター量の幅は最大で2.0μmに達している。しかも、各レーザー光束のジッターの発生傾向が異なっている。
図4と図5とを比較すると明らかなように、実施形態の走査装置は、基準状態において、レーザー光束の主光線が反射面21の主走査方向の中心から光源部10とは反対側に所定のシフト量ずれた位置で反射面21と交差するように設定することにより、ジッターの最大値を抑えることにより走査線の湾曲を小さくし、かつ、各レーザー光束のジッターの発生傾向が均一化され、比較例より描画精度を向上させ、かつ、描画ムラを小さくすることができる。
図6は、図1に示した走査装置の変形例を示す主走査面内の平面図である。図6の例では、光源部10から発した2本のレーザー光束が、単一のシリンドリカルレンズ13cを透過してポリゴンミラー20に入射している。このようにシリンドリカルレンズを共用することにより、図1の例より部品点数を削減し、全体の構成を簡略化することができる。
本発明の実施形態にかかる走査装置(走査光学系)の光学素子の配置を示す主走査面内の平面図である。 実施形態の走査装置におけるポリゴンミラーへのレーザー光束の入射位置を示す説明図である。 図2の一部拡大図である。 実施形態の走査装置の副走査方向のジッターを示すグラフである。 比較例の走査装置の副走査方向のジッターを示すグラフである。 実施形態の変形例にかかる走査装置の光学素子の配置を示す主走査面内の平面図である。
符号の説明
10 光源部
11a,11b 半導体レーザー
12a,12b コリメートレンズ
13a,13b シリンドリカルレンズ
20 ポリゴンミラー
21 反射面
30 fθレンズ
31 第1走査レンズ
32 第2走査レンズ
40 走査対象面

Claims (10)

  1. 所定の回転軸回りに回転可能に設けられ、入射する光束を反射、偏向させるポリゴンミラーと、
    前記ポリゴンミラーによる光束の走査範囲外から前記ポリゴンミラーにレーザー光束を入射させる光源部と、
    前記ポリゴンミラーにより偏向されたレーザー光束を走査対象面上で主走査方向に走査するスポットとして収束させる結像光学系とを備え、
    前記レーザー光束が前記走査対象面上で走査範囲の中心に達する基準状態において、前記レーザー光束の主光線が前記反射面の主走査方向の中心から前記光源部とは反対側に所定のシフト量ずれた位置で前記反射面と交差し、これにより前記走査範囲の両端部での副走査方向のジッター量をほぼ一致させたことを特徴とする走査装置。
  2. 前記基準状態における前記ポリゴンミラーからの反射光と前記光源部からの入射光とのなす角度をα[°]、前記基準状態における前記ポリゴンミラーからの反射光と最大像高に向かう反射光とのなす偏向角をθMAX[°]、前記ポリゴンミラーの内接半径をR[mm]、前記シフト量をδ[mm]としたとき、以下の条件(1)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の走査装置。
    0.5≦δ/(R×tan(θMAX/4)×tan(θMAX/2)×tan(α/2)) ≦2 …(1)
  3. 前記光源部は、互いに独立して変調される複数のレーザー光束を発し、全てのレーザー光束について前記走査範囲の両端部での副走査方向のジッター量がほぼ一致していることを特徴とする請求項1又は2に記載の走査装置。
  4. 前記複数のレーザー光束の主光線が、前記ポリゴンミラーの所定の回転位置で前記反射面の上の一点に入射することを特徴とする請求項3に記載の走査装置。
  5. 前記光源部は、副走査方向にパワーを有する単一のシリンドリカルレンズを備え、前記複数のレーザー光束は、前記単一のシリンドリカルレンズにより副走査方向に収束されて前記反射面の近傍で線像を形成することを特徴とする請求項3又は4に記載の走査装置。
  6. 所定の回転軸回りに回転可能に設けられ、入射する光束を反射、偏向させるポリゴンミラーと、
    前記ポリゴンミラーによる光束の走査範囲外から前記ポリゴンミラーにレーザー光束を入射させる光源部と、
    前記ポリゴンミラーにより偏向されたレーザー光束を走査対象面上で主走査方向に走査するスポットとして収束させる結像光学系とを備え、
    前記レーザー光束が前記走査対象面上で走査範囲の中心に達する基準状態において、前記レーザー光束の主光線が前記反射面の主走査方向の中心から前記光源部とは反対側に所定のシフト量ずれた位置で前記反射面と交差し、これにより前記走査範囲の両端部での副走査方向のジッター量をほぼ一致させたことを特徴とする走査光学系。
  7. 前記基準状態における前記ポリゴンミラーからの反射光と前記光源部からの入射光とのなす角度をα[°]、前記基準状態における前記ポリゴンミラーからの反射光と最大像高に向かう反射光とのなす偏向角をθMAX[°]、前記ポリゴンミラーの内接半径をR[mm]、前記シフト量をδ[mm]としたとき、以下の条件(1)を満たすことを特徴とする請求項6に記載の走査光学系。
    0.5≦δ/(R×tan(θMAX/4)×tan(θMAX/2)×tan(α/2)) ≦2 …(1)
  8. 前記光源部は、互いに独立して変調される複数のレーザー光束を発し、全てのレーザー光束について前記走査範囲の両端部での副走査方向のジッター量がほぼ一致していることを特徴とする請求項6又は7に記載の走査光学系。
  9. 前記複数のレーザー光束の主光線が、前記ポリゴンミラーの所定の回転位置で前記反射面の上の一点に入射することを特徴とする請求項8に記載の走査光学系。
  10. 前記光源部は、副走査方向にパワーを有する単一のシリンドリカルレンズを備え、前記複数のレーザー光束は、前記単一のシリンドリカルレンズにより副走査方向に収束されて前記反射面の近傍で線像を形成することを特徴とする請求項8又は9に記載の走査光学系。
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