JP2007241182A - Optical scanner and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタル複写機や光プリンタなどの画像形成装置において画像書き込み装置として用いられる光走査装置およびこれを用いた上記のような画像形成装置に関するものである。 The present invention relates to an optical scanning device used as an image writing device in an image forming apparatus such as a digital copying machine or an optical printer, and the above-described image forming apparatus using the same.
光走査装置は、従来から、光プリンタやデジタル複写機、光プロッタ等の画像形成装置における画像書き込み装置として広く知られているが、近時、低価格化とともに環境変動の影響を受け難く、精細の高い画像を形成できるものが求められている。
光走査装置は各種レンズなどの光学部品を備えている。光走査装置に用いられる各種のレンズを樹脂材料で形成すると、樹脂製レンズは、軽量であり、低コストで形成できるとともに、非球面に代表される特殊な面形状の形成が容易であるため、樹脂製レンズに特殊面を採用することにより、光学的な特性を向上させるとともに、光学系を構成するレンズ枚数を低減させることができる。すなわち、樹脂製レンズを採用することによって、光走査装置のコンパクト化・軽量化・低コスト化に資するところが大きい。
An optical scanning device has been widely known as an image writing device in an image forming apparatus such as an optical printer, a digital copying machine, or an optical plotter. Therefore, what can form a high image is demanded.
The optical scanning device includes optical components such as various lenses. When various lenses used in the optical scanning device are formed of a resin material, the resin lens is lightweight, can be formed at low cost, and it is easy to form a special surface shape represented by an aspherical surface. By adopting a special surface for the resin lens, the optical characteristics can be improved and the number of lenses constituting the optical system can be reduced. In other words, the use of a resin lens greatly contributes to the reduction in size, weight, and cost of an optical scanning device.
しかし、良く知られているように、樹脂製レンズは、環境変化、特に温度変化に伴って形状が変化し、かつ、屈折率が変化するので、光学特性、特にパワー(屈折度)が設計値から変化し、被走査面上の光スポットの径である「ビームスポット径」が環境変動により変動するという問題がある。温度変化に伴う樹脂製レンズのパワー変動は、正レンズと負レンズとで互いに逆に発生するので、光走査装置の光学系内に、正と負の樹脂製レンズを配置し、これら正と負の樹脂製レンズにおいて発生する環境変化に起因する光学特性変化を互いに相殺させる方法は良く知られている。 However, as is well known, the resin lens changes its shape with changes in the environment, especially with changes in temperature, and its refractive index changes. Therefore, the optical characteristics, especially power (refractive index), are designed values. There is a problem that the “beam spot diameter”, which is the diameter of the light spot on the surface to be scanned, varies due to environmental fluctuations. The power fluctuation of the resin lens due to the temperature change occurs in the opposite direction between the positive lens and the negative lens. Therefore, the positive and negative resin lenses are arranged in the optical system of the optical scanning device. There is a well-known method for canceling changes in optical characteristics caused by environmental changes occurring in resin lenses.
また、光走査装置の光源として一般的な半導体レーザは、温度が上昇すると発光波長が長波長側へずれるという性質(この性質を「温度変化による波長変化」という)があり、また「モードホップ」による波長変化もある。光源における波長変化は、光走査装置に用いられる光学系の色収差による特性変化を惹起し、この特性変化もビームスポット径変動の原因となる。
したがって、光学系内に樹脂製レンズを含み、光源に半導体レーザを用いる光走査装置では、温度変化に伴う光学特性の変化とともに、光源における波長変化に伴う光学特性の変化をも考慮した光学設計を行う必要がある。
In addition, a general semiconductor laser as a light source of an optical scanning device has a property that the emission wavelength shifts to a longer wavelength side when the temperature rises (this property is called “wavelength change due to temperature change”), and “mode hop”. There is also a wavelength change due to. A wavelength change in the light source causes a characteristic change due to chromatic aberration of an optical system used in the optical scanning apparatus, and this characteristic change also causes a beam spot diameter fluctuation.
Therefore, in an optical scanning device that includes a resin lens in the optical system and uses a semiconductor laser as the light source, an optical design that takes into account changes in the optical characteristics accompanying changes in the wavelength of the light source as well as changes in the optical characteristics accompanying changes in temperature. There is a need to do.
温度変化に伴う光学特性の変化と、光源における波長変化とを考慮し、パワー回折面を採用して光学特性を安定させた光走査装置(レーザ走査装置)が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、レーザ光源から射出されたレーザ光を主走査方向には平行光とし副走査方向には光偏向器の偏向反射面近傍に集光させる光源光学系を、回転対称軸を持たない1面以上の反射面と、2面の透過面とを有し、透過面にパワー回折面を設け、樹脂で構成された1つの光学素子とした光走査装置が開示されている。また、比較例として、半導体レーザからの光ビームをコリメートする樹脂製のコリメータレンズと、コリメートされた光ビームを副走査方向に集束させる樹脂製のシリンダレンズの各々に、1面ずつパワー回折面を設けた光走査装置が開示されている。上記「パワー回折面」は、回折によるレンズパワーを持つ回折面である。
There is known an optical scanning device (laser scanning device) that adopts a power diffractive surface and stabilizes optical properties in consideration of changes in optical characteristics due to temperature changes and wavelength changes in a light source (for example, Patent Documents). 1). In
特許文献1に開示された「回転対称軸を持たない1面以上の反射面と、2面の透過面とを有し、透過面にパワー回折面を設け、樹脂で構成された1つの光学素子」による光源光学系は、1つの光学素子内に透過面と反射面とを形成しなければならず、曲面形状の反射面が含まれるため、製造が必ずしも容易ではなく、光走査装置の低コスト化の面からなお改善の余地がある。また、一般に、パワー回折面を形成するには微細加工技術が必要な上に、その精度も極めて高いものが要求される。例えば、図9(b)に示すような球面レンズと等価なパワーを有するパワー回折面を図示すると、図9(a)に示すような形状になる。すなわち、球面レンズの球面を等高線に沿って分割し、分割した球面を平坦な基盤上に均一の高さとなるように配置することによって断面を波型にした形状である。さらに換言すれば、光が屈折する傾斜面のみを同心円状に並べた形状である。図9(b)から明らかなように、このパワー回折面は光軸から離れるに従い円弧を描く傾斜面の立ち上がり角度が大きくなって、溝の間隔すなわち隣り合う傾斜面間隔が狭くなり、加工が飛躍的に難しくなる。さらに、バックカットに挟まれたパワー回折面はいずれも球面の一部をなしている必要がある。これを直線として近似することもできるが、この場合には回折効率の低下を免れることができない。しかし、球面の一部をなすようにパワー回折面を形成すると、面形状に粗さが目立ってきて波面収差の劣化によってビームスポット径が太り、また、散乱光の発生でゴーストの発生や光の伝達効率の低下などの問題が発生する。
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑み、パワー回折面を用いた光走査装置において、温度変動によるビームスポット径変動のみならず、モードホップによる発振波長の変化によるビームスポット径変動をも低減し、より安定したビームスポット径で光走査を行い得る光走査装置を実現すること、さらには、かかる光走査装置を用いた画像形成装置を実現することを目的とする。
本発明はまた、これらの装置に搭載される光学素子に採用される回折面の形状に関して高い精度を要求されることがなく、光学素子を安価で成形しやすいものとすることができる光走査装置および画像形成装置提供することを目的とする。
In view of the above-described problems of the prior art, the present invention has not only beam spot diameter fluctuation due to temperature fluctuation but also beam spot diameter fluctuation due to oscillation wavelength change due to mode hop in an optical scanning device using a power diffraction surface. An object of the present invention is to realize an optical scanning device that can perform optical scanning with a reduced and more stable beam spot diameter, and to realize an image forming apparatus using such an optical scanning device.
The present invention also provides an optical scanning device that does not require high accuracy with respect to the shape of the diffractive surface employed in an optical element mounted on these devices, and that can make the optical element inexpensive and easy to mold. It is another object of the present invention to provide an image forming apparatus.
本発明にかかる光走査装置は、請求項1に記載されているように、半導体レーザからの光ビームの断面形態を所望の形態に変換する第1の光学素子、第1の光学素子を透過した光ビームを光偏向器に導光する第2の光学素子、光偏向器により偏向された光ビームを被走査面上に集光させて光スポットを形成し、被走査面を光走査する第3の光学素子を備えている光走査装置であって、以下のように構成されることを特徴とする。
上記第1、第2、第3の光学素子の少なくとも一つは樹脂製レンズを含む。
この樹脂製レンズの少なくとも一つはパワー回折面を有する。
上記パワー回折面の少なくとも1つの面形状は、回折部のパワーと屈折部のパワーが相殺するように設定されている。
As described in
At least one of the first, second, and third optical elements includes a resin lens.
At least one of the resin lenses has a power diffractive surface.
At least one surface shape of the power diffractive surface is set so that the power of the diffractive portion and the power of the refracting portion cancel each other.
請求項2記載の発明のように、パワー回折面の面形状は、階段構造でかつパワーがなくまたはパワーがあってもごくわずかであることが好ましい。
請求項3記載の発明のように、パワー回折面は、半導体レーザにおけるモードホップや温度変化に起因する主走査方向および/または副走査方向のビームウエスト位置の変動が略0となるように設定するとよい。「パワー回折面」は、前述の如く、レンズ作用と同等の回折機能を有する回折面である。上記「モードホップや温度変化に起因する」とは、モードホップおよび/または温度変化に起因する、の意味である。
As described in the second aspect of the invention, the surface shape of the power diffractive surface is preferably a staircase structure and has no power or very little power.
As in the third aspect of the invention, the power diffractive surface is set so that the fluctuation of the beam waist position in the main scanning direction and / or the sub-scanning direction due to the mode hop or temperature change in the semiconductor laser becomes substantially zero. Good. As described above, the “power diffractive surface” is a diffractive surface having a diffractive function equivalent to a lens action. The above “because of mode hop and temperature change” means that it is caused by mode hop and / or temperature change.
請求項4記載の発明のように、請求項1乃至3のいずれかに記載の光走査装置において、パワー回折面は第1の光学素子に採用されており、回転対称な階段構造とすることができる。
請求項5記載の発明のように、請求項4記載の光走査装置において、第1の光学素子のパワー回折面の反対面は回転対称な非球面であることが好ましい。
また、請求項6記載の発明のように、請求項1乃至3のいずれかに記載の光走査装置において、パワー回折面は、これを第2の光学素子に採用し、線対称な階段構造とすることができる。
請求項7記載の発明のように、請求項6記載の光走査装置において、第2の光学素子は、主走査方向にパワーがなく、副走査方向に正のパワーを有するレンズであることが好ましい。
請求項8記載の発明のように、請求項1乃至7のいずれかに記載の光走査装置において、第1、第2、第3の光学素子の全てを樹脂製レンズとすることができる。
As in the fourth aspect of the invention, in the optical scanning device according to any one of the first to third aspects, the power diffractive surface is employed in the first optical element, and a rotationally symmetric step structure is provided. it can.
As in the invention described in
Further, as in the invention described in
As in the invention described in claim 7, in the optical scanning device described in
As in the eighth aspect of the invention, in the optical scanning device according to any one of the first to seventh aspects, all of the first, second, and third optical elements can be made of resin lenses.
また、請求項9記載の発明のように、請求項1〜8のいずれかに記載の光走査装置において、第2の光学素子は、光軸方向に沿って調整可能であることが好ましい。
本発明における第1の光学素子は、半導体レーザからの光ビームの断面形態を所望の形態に変換するが、請求項9記載の発明においては、第1の光学素子の作用をコリメート作用とするのが好ましい。さらに、第2の光学素子は、主走査方向にパワーを持たないようにすることが好ましい。第2の光学素子が主走査方向にパワーを持たない構成になっていると、光学系の初期の組付け時における加工誤差や、組み付け誤差などが発生した場合の副走査方向のビームウエスト位置変動を、第2の光学素子を光軸方向へ変位させることにより、主走査方向の光学特性に影響を与えることなく調整することができる。従って、第2の光学素子に採用される回折面の形状精度を高いレベルで要求しなくても、加工誤差で生じるパワーの変動は、この調整で吸収することが可能である。特に、主走査方向の光学特性に影響を与えることなく調整できれば、主走査方向については第1の光学素子で、副走査方向については第2の光学素子で独立に調整することができるので、調整作業は飛躍的に簡便になる。
なお、上記第2の光学素子のパワーは、屈折面によるパワーとパワー回折面によるパワーとを合成したパワーである。
As in the ninth aspect, in the optical scanning device according to any one of the first to eighth aspects, the second optical element is preferably adjustable along the optical axis direction.
The first optical element in the present invention converts the cross-sectional form of the light beam from the semiconductor laser into a desired form. In the invention according to claim 9, the action of the first optical element is a collimating action. Is preferred. Furthermore, it is preferable that the second optical element has no power in the main scanning direction. If the second optical element is configured so as not to have power in the main scanning direction, a processing error at the time of initial assembly of the optical system, or a beam waist position variation in the sub-scanning direction when an assembly error occurs. Can be adjusted without affecting the optical characteristics in the main scanning direction by displacing the second optical element in the optical axis direction. Therefore, even if the accuracy of the shape of the diffractive surface employed in the second optical element is not required at a high level, power fluctuations caused by processing errors can be absorbed by this adjustment. In particular, if the adjustment can be made without affecting the optical characteristics in the main scanning direction, the adjustment can be made independently with the first optical element in the main scanning direction and with the second optical element in the sub scanning direction. The work is greatly simplified.
The power of the second optical element is a power obtained by combining the power of the refractive surface and the power of the power diffraction surface.
さらに、請求項10記載の発明のように、請求項1〜9のいずれかに記載の光走査装置において、半導体レーザは、複数の発光部を有する半導体レーザアレイで構成することもできる。
光走査装置において光源として用いられる半導体レーザは、通常の構成の半導体レーザを1つ用いてシングルビーム走査方式とすることもできるが、請求項10記載の発明のように、半導体レーザアレイや2以上の半導体レーザを用いることにより、「マルチビーム走査方式」を実行するように構成することもできる。特に半導体レーザアレイは、複数の半導体レーザを用いるよりも組付け安定性に優れており、またアナモフィック光学素子に対してほぼ同じように光ビームが入射するため、複数の光ビーム間で光学特性のばらつきを低減することができるので、好ましい形態である。
Further, as in the invention described in
The semiconductor laser used as the light source in the optical scanning device can be a single beam scanning system using one semiconductor laser having a normal configuration. However, as in the invention according to
請求項11記載の発明は、感光性の像担持体に対して光走査手段による光走査を行って潜像を形成し、この潜像を現像手段で可視化して画像を得る画像形成部を有する画像形成装置であって、光走査手段は、請求項1〜10のいずれかに記載の光走査装置であることを特徴とするものである。
画像形成部の数は任意であるから、画像形成部を1つとしてモノクロームの画像形成を行うようにすることもできるし、2以上の画像形成部にして2色画像や多色画像、さらにはカラー画像を形成するように画像形成装置を構成することもできる。
According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided an image forming section for forming a latent image by performing optical scanning by a light scanning unit on a photosensitive image carrier and visualizing the latent image by a developing unit to obtain an image. In the image forming apparatus, the optical scanning unit is the optical scanning apparatus according to any one of
Since the number of image forming units is arbitrary, it is possible to form a monochrome image by using one image forming unit, or to form two or more image forming units to form a two-color image or a multicolor image, The image forming apparatus can also be configured to form a color image.
請求項12記載の発明は、感光性の像担持体に対して光走査手段による光走査を行って潜像を形成し、この潜像を現像手段で可視化して画像を得る画像形成部を有する画像形成装置であって、像担持体は複数配置され、光走査手段は請求項1〜10のいずれかに記載の光走査装置であって各像担持体に対応した光ビームで走査することができ、各光ビームは色成分に対応した画像信号で変調されることにより各像担持体にその色成分に対応した潜像が形成され、現像手段は各潜像をそれに対応した色のトナーで可視化する、カラー対応の画像形成装置であることを特徴とする。
各画像形成部において光走査を行う光走査装置は、画像形成部ごとに別個のものであってもよいし、例えば、特開2004−280056号公報等により知られているように、光学要素の一部、例えば光偏向器や走査光学系の一部を、複数の走査光学系で共有するようにしてもよい。
画像形成部が2以上ある場合、2以上の画像形成部を同一の像担持体に対して異なる位置に設定することもできるし、所謂タンデム式のカラー画像形成装置のように、前後方向に配列した複数の像担持体の個々に対して個別の画像形成部を設定することもできる。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided an image forming unit that forms a latent image by performing optical scanning by a light scanning unit on a photosensitive image carrier, and visualizes the latent image by a developing unit to obtain an image. In the image forming apparatus, a plurality of image carriers are arranged, and the optical scanning unit is an optical scanning device according to any one of
The optical scanning device that performs optical scanning in each image forming unit may be separate for each image forming unit. For example, as known from Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-280056, etc. A part, for example, a part of the optical deflector and the scanning optical system may be shared by a plurality of scanning optical systems.
When there are two or more image forming units, the two or more image forming units can be set at different positions with respect to the same image carrier, or arranged in the front-rear direction as in a so-called tandem color image forming apparatus. An individual image forming unit can be set for each of the plurality of image carriers.
ここで、光走査装置の光学系に樹脂製レンズが含まれる場合に、環境変動や波長変化に対する、被走査面に向かって集光される光ビームのビームウエスト位置の変動について簡単に考察する。先ず、温度変動によるビームウエスト位置変動の原因となるのは、
1.温度変動に伴う樹脂製レンズの屈折率自体の変化、
2.樹脂製レンズの形状変化、
3.半導体レーザの波長変化による樹脂製レンズの屈折率変化(色収差)
が考えられる。
樹脂製レンズの屈折率自体の変化は、温度上昇に伴う膨張による低密度化により屈折率が減少する現象として現れる。
樹脂製レンズの形状変化は、温度上昇に伴う膨張によりレンズ面の曲率が減少する現象として現れる。
半導体レーザの発光波長変化は、一般に温度上昇とともに長波長側へずれる現象として現れる。波長が長波長側へずれると、樹脂製レンズの屈折率は、一般に、減少する側へずれる。
Here, when a resin lens is included in the optical system of the optical scanning device, a change in the beam waist position of the light beam condensed toward the surface to be scanned with respect to an environmental change and a wavelength change will be briefly considered. First of all, the cause of beam waist position fluctuation due to temperature fluctuation is
1. Changes in the refractive index of the resin lens itself due to temperature fluctuations,
2. Plastic lens shape change,
3. Change in refractive index of resin lens due to wavelength change of semiconductor laser (chromatic aberration)
Can be considered.
The change in the refractive index of the resin lens itself appears as a phenomenon in which the refractive index decreases due to a decrease in density due to expansion due to temperature rise.
The change in the shape of the resin lens appears as a phenomenon in which the curvature of the lens surface decreases due to the expansion due to the temperature rise.
A change in the emission wavelength of a semiconductor laser generally appears as a phenomenon that shifts to a longer wavelength side with an increase in temperature. When the wavelength shifts to the longer wavelength side, the refractive index of the resin lens generally shifts to the decreasing side.
このように、樹脂製レンズは、正レンズであるか負レンズであるかに拘わらず、温度上昇とともに、そのパワーの絶対値が減少するように変化する。
一方、パワー回折面の「回折部」によるパワーは、回折角が波長に比例するところから、パワー回折面の「回折部」のパワーは、それが正であっても負であっても、パワーの絶対値は、波長が長くなると大きくなる傾向を持つ。
従って、例えば、光走査装置の光学系における樹脂製レンズの合成パワーが正(または負)である場合には、パワー回折面の「回折部」のパワーを正(または負)とすることにより、樹脂製レンズにおける温度変動に伴うパワー変化を、パワー回折面の「回折部」における温度変動に伴うパワー変化で相殺することが可能になる。
As described above, regardless of whether the lens is a positive lens or a negative lens, the absolute value of the power changes as the temperature increases.
On the other hand, since the diffraction angle of the power diffracting surface is proportional to the wavelength, the power of the diffracting portion of the power diffractive surface is positive or negative. The absolute value of tends to increase as the wavelength increases.
Therefore, for example, when the combined power of the resin lens in the optical system of the optical scanning device is positive (or negative), the power of the “diffractive part” of the power diffractive surface is positive (or negative), It is possible to cancel the power change accompanying the temperature fluctuation in the resin lens with the power change accompanying the temperature fluctuation in the “diffractive part” of the power diffractive surface.
本発明におけるアナモフィック光学素子のパワー回折面は、必ずしも平面に形成されたものではなく、球面やシリンドリカル面に形成されたものを含んでいて、回折面を形成している基板に当たる部分にもパワーを有することになる。従って、この基板に当たる部分のパワーを除いた回折面のみのパワーという意味で、本明細書中ではこれをパワー回折面の「回折部」と呼んでいる。これをさらに具体的に説明するために、光学系内に含まれる樹脂製レンズのパワーと、パワー回折面の「回折部」のパワーがともに正である場合に、環境温度が上昇した場合を考える。
樹脂製レンズの屈折率の変化によるビームウエスト位置変動量をA、
樹脂製レンズの形状変化によるビームウエスト位置変動量をB、
半導体レーザの発光波長変化に起因する樹脂製レンズの屈折率変化によるビームウエスト位置変動量をC、
半導体レーザの発光波長変化に起因するパワー回折面の「回折部」のパワー変化によるビームウエスト位置変動量をD、
とし、光偏向器から離れる向きの変化を正とすると、
A>0、B>0、C>0で、D<0
である。
そして、この温度変化に伴うトータルのビームウエスト位置変動量は、A+B+C−Dである。A〜Cは、樹脂製レンズを含む光学系が定まれば定まるので、ビームウエスト位置変動量が0となる条件:A+B+C−D=0を満たすように、パワー回折面の「回折部」のパワーを設定することにより、温度変化に伴うビームウエスト位置変動を良好に補正できる。
The power diffractive surface of the anamorphic optical element in the present invention is not necessarily formed on a flat surface, but includes a surface formed on a spherical surface or a cylindrical surface, and power is also applied to a portion corresponding to the substrate on which the diffractive surface is formed. Will have. Accordingly, in the present specification, this is called a “diffractive portion” of the power diffractive surface in the sense that it is the power of only the diffractive surface excluding the power of the portion that hits the substrate. In order to explain this more specifically, consider the case where the environmental temperature rises when the power of the resin lens contained in the optical system and the power of the “diffractive part” of the power diffractive surface are both positive. .
The beam waist position variation due to the change in the refractive index of the resin lens is A,
The amount of beam waist position fluctuation due to the shape change of the resin lens is B,
A beam waist position fluctuation amount due to a change in refractive index of a resin lens caused by a change in emission wavelength of the semiconductor laser is represented by C,
D, the beam waist position fluctuation amount due to the power change of the “diffractive part” of the power diffraction surface due to the change in the emission wavelength of the semiconductor laser,
And if the change in direction away from the optical deflector is positive,
A> 0, B> 0, C> 0, D <0
It is.
And the total amount of beam waist position fluctuation | variation accompanying this temperature change is A + B + C-D. A to C are determined when an optical system including a resin lens is determined. Therefore, the power of the “diffractive part” of the power diffraction surface is satisfied so that the condition that the beam waist position fluctuation amount is 0: A + B + C−D = 0 is satisfied. By setting this, it is possible to satisfactorily correct the beam waist position fluctuation accompanying the temperature change.
ところで、前述したように光源である半導体レーザの発光波長の変化は、温度変化によるもののみでなく、モードホップによる波長変化もある。モードホップによる発光波長変化は微視的な物理現象によって引き起こされるため予測が極めて困難である。モードホップによる発光波長変化は温度変化とは無関係であり、基準温度からの温度変化がない状態でモードホップによる発光波長変化が起こると、上記AとBは0であるから、ビームウエスト位置変動量は、C−D<0となって補正されず、ビームウエスト位置は大きく変化する。 By the way, as described above, the change in the emission wavelength of the semiconductor laser, which is a light source, is not only due to a temperature change, but also due to a mode hop. The change in the emission wavelength due to the mode hop is caused by a microscopic physical phenomenon, which is very difficult to predict. The change in the emission wavelength due to the mode hop is irrelevant to the change in temperature, and if the change in the emission wavelength due to the mode hop occurs in the state where there is no temperature change from the reference temperature, A and B are 0. Is not corrected because CD <0, and the beam waist position changes greatly.
このように、光走査装置にパワー回折面を採用した場合、温度変動によるビームウエスト位置変動を補正するだけでなく、モードホップによる発光波長変化によるビームウエスト位置変動を低減するようにしないと、常に安定したビームスポット径を得ることはできない。温度変動によるビームウエスト位置変動を補正するだけでなく、モードホップによる発光波長変化によるビームウエスト位置変動を低減するには、パワー回折面の「回折部」に与えるパワーを適切に設定する必要がある。パワー回折面の「回折部」にあまり大きなパワーを与えてしまうと、モードホップによる発光波長変化によるビームウエスト位置変動を増大させてしまう。
以上の技術的な事情に鑑み、この発明にかかる光走査装置では、半導体レーザにおけるモードホップや温度変化に起因する、主走査方向および/または副走査方向のビームウエスト位置の変動を略0とするように、パワー回折面の「回折部」のパワーを設定する。
As described above, when the power diffractive surface is adopted in the optical scanning device, not only the correction of the beam waist position fluctuation due to the temperature fluctuation but also the reduction of the beam waist position fluctuation due to the emission wavelength change due to the mode hop is always performed. A stable beam spot diameter cannot be obtained. In addition to correcting beam waist position fluctuations due to temperature fluctuations, in order to reduce beam waist position fluctuations due to emission wavelength changes due to mode hops, it is necessary to appropriately set the power applied to the “diffractive part” of the power diffractive surface. . If too much power is given to the “diffractive part” of the power diffractive surface, the beam waist position fluctuation due to the emission wavelength change due to the mode hop is increased.
In view of the above technical circumstances, in the optical scanning device according to the present invention, the fluctuation of the beam waist position in the main scanning direction and / or the sub-scanning direction due to the mode hop or temperature change in the semiconductor laser is made substantially zero. Thus, the power of the “diffractive part” of the power diffraction surface is set.
このようにしてパワーを設定されたパワー回折面は、一般に様々な形状をとりうるが、前にも述べたように、パワー回折面の形成には微細加工の技術が必要である。さらに、その精度も極めて高いものが要求される。高い加工精度を確保できないと、回折効率の低下、波面収差の劣化、散乱光の発生等、好ましくない現象が多岐に渡り発生する。また、このような高い加工精度を確保するためには、非常に優れた計測技術も不可欠である。しかし、球面を基本形状としたパワー回折面ですらその計測には困難を伴うため、高い品質のパワー回折面を得ることができないのが実情である。 In general, the power diffractive surface to which the power is set can take various shapes. However, as described above, the formation of the power diffractive surface requires a fine processing technique. Furthermore, the thing with the extremely high precision is requested | required. If high processing accuracy cannot be ensured, a variety of undesirable phenomena such as a decrease in diffraction efficiency, deterioration of wavefront aberration, and generation of scattered light occur. Moreover, in order to ensure such a high processing accuracy, a very good measurement technique is indispensable. However, even a power diffractive surface having a spherical surface as a basic shape is difficult to measure, and it is a fact that a high-quality power diffractive surface cannot be obtained.
そこで、本発明において用いるパワー回折面は、階段構造でかつほぼノンパワーとすることを最大の特徴としている。階段構造とするためには、パワー回折面の「回折部」のパワーと「屈折部」のパワーを、絶対値が等しく異符号のものとすればよい。このとき得られるパワー回折面は必然的に階段構造となる。このような構造を取ると、回折面とバックカットの関係はどこでもほぼ直角となり、計測が容易になるばかりでなく、加工も非常にしやすいという利点がある。 Therefore, the power diffractive surface used in the present invention is characterized by a staircase structure and substantially non-power. In order to obtain a staircase structure, the power of the “diffractive part” and the power of the “refractive part” on the power diffractive surface may be equal in absolute value and different in sign. The power diffractive surface obtained at this time necessarily has a staircase structure. With such a structure, the relationship between the diffractive surface and the backcut is almost right at any angle, and there is an advantage that not only measurement is easy, but also processing is very easy.
さらに、上記構成のパワー回折面はノンパワーであるから、反対側の面に対する面間偏心があっても、それによる影響が極めて少ないため、加工精度に対する要求も抑えることが可能となる。また、階段構造であれば、シェーパー加工のように加工痕を発生させないような形成方法を採用することができ、加工時間の短縮化も可能となる。加工時間の短縮化は、加工時の熱の発生の低減など副次的なメリットも派生し、高精度のパワー回折面を得るのに好ましい。
また、レンズそのもののパワーは入射面と射出面のパワーの合成として与えられるが、一方の面がノンパワーでも反対側のパワーを適切に設定することで、所望のレンズパワーを得ることができる。従って、このような階段構造のパワー回折面は、いかなるパワーのレンズにも採用することができる。
もちろん、回折面の面精度も局所的に非平面であるところがないため、非常に滑らかに仕上げることができるので、散乱光やビームスポット径太りの発生もほとんどない。
Furthermore, since the power diffractive surface having the above configuration is non-powered, even if there is a decentering with respect to the opposite surface, the influence thereof is extremely small, so that it is possible to suppress the demand for processing accuracy. Moreover, if it is a staircase structure, the formation method which does not generate | occur | produce a process trace like shaper process can be employ | adopted, and the process time can also be shortened. The shortening of the processing time is preferable for obtaining a high-precision power diffractive surface because secondary benefits such as reduction of heat generation during processing are derived.
Further, the power of the lens itself is given as a combination of the power of the entrance surface and the exit surface, but a desired lens power can be obtained by appropriately setting the power on the opposite side even if one surface is non-power. Therefore, the power diffractive surface having such a staircase structure can be used for any power lens.
Of course, since the surface accuracy of the diffractive surface is not locally non-planar, it can be finished very smoothly, so that almost no scattering light or beam spot diameter is generated.
本発明にかかる光走査装置は、半導体レーザにおけるモードホップや温度変化に起因する、主走査方向および/または副走査方向のビームウエスト位置の変動を略0とするように、パワー回折面のパワーを設定するので、温度変動のみならずモードホップによる発光波長変動に対してもビームウエスト位置変動が有効に補正され、常に安定したビームスポット径で光走査を行うことができる。
このような光走査装置を用いた本発明にかかる画像形成装置によれば、安定した画像形成が可能である。
The optical scanning device according to the present invention reduces the power of the power diffractive surface so that the fluctuation of the beam waist position in the main scanning direction and / or the sub-scanning direction due to the mode hop or temperature change in the semiconductor laser is substantially zero. Therefore, the beam waist position variation is effectively corrected not only for temperature variation but also for emission wavelength variation due to mode hopping, and optical scanning can always be performed with a stable beam spot diameter.
According to the image forming apparatus of the present invention using such an optical scanning device, stable image formation is possible.
以下、本発明にかかる光走査装置および画像形成装置の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of an optical scanning device and an image forming apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、光走査装置の実施例1の光学配置を示している。図1において、符号1は光源である半導体レーザ、符号2は第1の光学素子としてのカップリングレンズ、符号3はアパーチュア、符号4は第2の光学素子としてのアナモフィック光学素子、符号5は光偏向器であるポリゴンミラー(回転多面鏡)、符号6は第3の光学素子としての走査レンズ、符号8は被走査面をそれぞれ示す。また、符号G1はポリゴンミラー5を収納する防音ハウジング(図示されず)の窓を塞ぐ防音ガラスを示し、符号G2は図1に示す光走査装置の光学系を収納するハウジングの偏向光ビームの射出部に設けられた防塵ガラスを示している。
FIG. 1 shows an optical arrangement of
半導体レーザ1から放射された発散性の光ビームは、カップリングレンズ2により所望の断面形態の光ビームに変換され、アパーチュア3によりビーム整形されてアナモフィック光学素子4に入射する。アナモフィック光学素子4を透過した光ビームは、副走査方向に集束しつつ防音ガラスG1を透過してポリゴンミラー5の偏向反射面近傍に、主走査方向に長い線像として結像する。光ビームはポリゴンミラー5の偏向反射面に反射され、防音ガラスG1を透過して走査レンズ6に入射する。走査レンズ6は1枚のレンズにより構成され、このレンズ6を透過した光ビームは防塵ガラスG2を透過して被走査面8に入射し、走査レンズ6の作用により被走査面8上に光スポットを形成する。
The divergent light beam emitted from the
ポリゴンミラー5はモータによって等速回転駆動される。ポリゴンミラー5が等速回転すると、偏向反射面により反射された光ビームは等角速度的に偏向する。走査レンズ6は等角速度的に偏向しつつ入射してくる光ビームによる光スポットが、被走査面8上において主走査方向(図1の上下方向)へ等速的に移動するようにするfθ特性を有しており、光スポットは、被走査面8を等速的に光走査する。走査レンズ6はアナモフィックな光学素子であり、副走査方向においてはポリゴンミラー5の偏向反射面位置と被走査面8の位置とを幾何光学的な共役関係としており、これによりポリゴンミラー5の各偏向反射面の面倒れを補正している。被走査面8は、実体的には感光性媒体例えば感光体ドラムの感光面である。
The
次に、上記実施例を構成する光学部品の具体的な数値例を挙げる。実施例1において用いられているガラス材料(「ガラス1」と称する。)および樹脂材料(「樹脂1」と称する。)のデータを表1に挙げる。
表1
Next, specific numerical examples of the optical components constituting the above embodiment will be given. Table 1 shows data of the glass material (referred to as “
Table 1
表1において「中央値」とあるのは、基準温度:25℃における使用波長に対する屈折率、「波長飛び」とあるのは、モードホップにより波長飛びを生じたときの屈折率、「温度変動」とあるのは、温度が基準温度から20度上昇したときの屈折率である。モードホップによる「波長飛び」は、余裕を見て0.8nmの波長変化を想定している。 In Table 1, “median” is the refractive index with respect to the wavelength used at the reference temperature: 25 ° C., and “wavelength jump” is the refractive index when the wavelength jump occurs due to mode hops, and “temperature fluctuation”. This is the refractive index when the temperature rises by 20 degrees from the reference temperature. “Wavelength skip” due to mode hopping assumes a wavelength change of 0.8 nm with a margin.
表2に、光偏向器以降に配置されている光学系データを示す。
表2
Table 2 shows optical system data arranged after the optical deflector.
Table 2
表2において、Rmは「主走査方向の近軸曲率」、Rsは「副走査方向の近軸曲率」であり、Dx、Dy(表2では「X」,「Y」と表記)は「各光学素子の原点から次の光学素子の原点までの相対距離」を表している。単位はmmである。例えば、光偏向器に対するそれ以降の光学系のDx、Dyについてみると、光偏向器(ポリゴンミラー5)の回転軸から見て、走査レンズ6の入射面の原点(入射側面の光軸位置)は、光軸方向(X方向、図1の左右方向)に42.99mm離れ、主走査方向(Y方向、図1の上下方向)に6.91mm離れている。また、走査レンズ6の光軸上の肉厚は13.5mm、走査レンズ6から被走査面8までの距離は176mmである。なお、走査レンズ6と被走査面8の間には、図1に示すようにガラス1を材質とする厚さ:1.9mmの防塵ガラスG2が配置されている。走査レンズ6の各面は非球面であり、各面ともに主走査方向には「式1」で与えられる非円弧形状で、副走査断面(光軸と副走査方向とに平行な仮想的断面)内の曲率が主走査方向に「式2」に従って変化する特殊面である。
In Table 2, R m is “paraxial curvature in the main scanning direction”, R s is “paraxial curvature in the sub-scanning direction”, and expressed as D x , D y (“X”, “Y” in Table 2). ) Represents “relative distance from the origin of each optical element to the origin of the next optical element”. The unit is mm. For example, regarding D x and D y of the optical system subsequent to the optical deflector, the origin of the incident surface of the scanning lens 6 (the optical axis of the incident side surface) when viewed from the rotation axis of the optical deflector (polygon mirror 5). The position is 42.99 mm away in the optical axis direction (X direction, left-right direction in FIG. 1) and 6.91 mm away in the main scanning direction (Y direction, up-down direction in FIG. 1). The thickness of the
上記「非円弧形状」は以下のとおりである。
主走査断面内の近軸曲率半径:Rm、光軸からの主走査方向の距離:Y、円錐定数:K、高次の係数:A1、A2、A3、A4、A5、…、光軸方向のデプス:Xとして次の式1で表現される。
式1
The “non-arc shape” is as follows.
Paraxial radius of curvature in main scanning section: R m , distance in main scanning direction from optical axis: Y, conic constant: K, higher order coefficients: A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , A 5 , ... Depth in the optical axis direction: X is expressed by the following
上記「副走査断面における曲率の変化」は以下のとおりである。
副走査断面内の曲率:Cs(Y)(Y:光軸位置を原点とする主走査方向の座標)が主走査方向に変化する状態を表現する式は、光軸を含む副走査断面内の曲率半径:Rs(0)、B1、B2、B3、…を係数として次の式2の通りである。
式2
The “change in curvature in the sub-scanning section” is as follows.
Curvature in the sub-scanning section: C s (Y) (Y: coordinates in the main scanning direction with the optical axis position as the origin) is expressed in the sub-scanning section including the optical axis. The radius of curvature of the
走査レンズ6の入射側面(特殊面)の係数を表3に挙げる。
表3
Table 3 lists the coefficients of the incident side surface (special surface) of the
Table 3
走査レンズ6の射出側面(特殊面)の係数を表4に挙げる。
表4
Table 4 lists the coefficients of the exit side surface (special surface) of the
Table 4
次に、カップリングレンズ2に、本発明の特徴的な構成であるパワー回折面を採用した例を示す。カップリングレンズ2は、一方の面が階段形状の同心円状のパワー回折面、他方の面が回転対称非球面を有する樹脂製レンズである。
図2はカップリングレンズ2の正面図と光軸を含む面に沿った断面図で、図の左右方向が主走査方向、上下方向が副走査方向である。図2(a)は、カップリングレンズ2のパワー回折面を光軸方向から見た図である。図2(b)は、カップリングレンズ2の、副走査方向と光軸方向とに平行な仮想的切断端面における端面図である。カップリングレンズ2の一方の面には、図(b)にも示すように、階段形状に構成された同心円状の溝の集合による、同心円状のパワー回折面が形成されている。カップリングレンズ2の他方の面(図(b)の右側面)には、回転対称非球面形状の屈折面が形成されている。
Next, the example which employ | adopted the power diffraction surface which is the characteristic structure of this invention for the
2 is a front view of the
光源である半導体レーザ1側から第1の光学素子としてのカップリングレンズ2に入射する光ビーム(発散光ビーム)は、カップリングレンズ2を透過すると、所望の断面形態の光ビームに変換され、第2の光学素子であるシリンドリカルレンズ4に導光される。カップリングレンズ2のパワー回折面は、半導体レーザ1におけるモードホップや温度変化に起因する主走査方向および/または副走査方向のビームウエスト位置の変動を略0とするように、パワーが設定される。
A light beam (diverging light beam) incident on the
図1に示す実施例1にかかる光走査装置の光学系を構成する各要素の具体的構成は以下のとおりである。
「光源」
光源である半導体レーザ1は、設計上の発光波長:785nmで、標準温度:25℃に対して温度が1℃上昇すると、発光波長が0.25nm、長波長側へずれる。モードホップは上記の如く0.8nmの波長変化を想定している。
「カップリングレンズ」
カップリングレンズ2は、上述したようなパワー回折面を有する樹脂製レンズであり、焦点距離:13.952mmで、弱い発散性の光ビームに変換する機能を有するように配置されている。カップリングレンズ2の片側の面は非球面になっていて、カップリングされた光ビームの波面収差を非球面により十分に補正している。
The specific configuration of each element constituting the optical system of the optical scanning device according to the first embodiment shown in FIG. 1 is as follows.
"light source"
The
"Coupling lens"
The
半導体レーザ1とカップリングレンズ2とは、線膨張係数:7.0×10−5の材質による保持部材に固定的に保持されている。カップリングレンズ2の入射面のパワー回折面は、位相関数:winとして
win=C0・r2
で表されるものであり、rは
r2=Y2+Z2
であり、Yは光軸を原点とする主走査方向の座標、Zは光軸を原点とする副走査方向の座標で、係数:C0は、C0=5.693×10−2である。この回折部は、曲率半径−8.783mmの球面を構成している屈折部に形成される。そのため、出来上がったパワー回折面は階段形状となる。
The
Where r is r 2 = Y 2 + Z 2
Y is the coordinate in the main scanning direction with the optical axis as the origin, Z is the coordinate in the sub-scanning direction with the optical axis as the origin, and the coefficient: C 0 is C 0 = 5.693 × 10 −2 . This diffractive part is formed in a refracting part constituting a spherical surface having a radius of curvature of −8.783 mm. Therefore, the completed power diffraction surface has a staircase shape.
カップリングレンズ2の射出面の屈折面は、回転対称非球面であり、「式3」で与えられる非円弧形状である。すなわち、近軸曲率半径:R、光軸からの距離:H、円錐定数:K、高次の係数をA1、A2、A3、A4、A5、…、光軸方向のデプス:Xとして、上記回転対称非球面は式3で表される。
式3
The refracting surface of the exit surface of the
Formula 3
カップリングレンズ2の射出側面の係数を表5に挙げる。
表5
Table 5 lists the coefficients of the exit side surface of the
Table 5
図1に示す実施例1の「アパーチュア」の具体的構成を以下に示す。
アパーチュア3は、主走査方向の開口径:2.76mm、副走査方向の開口径:2.36mmの「長方形形状の開口」を有し、カップリングレンズ2によりカップリングされた光ビームの断面形状を所定の形状に整形する。
A specific configuration of the “aperture” in the first embodiment shown in FIG. 1 is shown below.
The aperture 3 has a “rectangular opening” having an opening diameter of 2.76 mm in the main scanning direction and an opening diameter of 2.36 mm in the sub-scanning direction, and a sectional shape of the light beam coupled by the
図1に示す実施例における第2の光学素子としての「アナモフィック光学素子」の具体的構成を以下に示す。
アナモフィック光学素子4は、第1の光学素子である上記カップリングレンズ2を透過した光ビームを光偏向器に導光する第2の光学素子であって、入射側面が平面に形成された直線状のパワー回折面で、射出側面に平面を形成したものである。
入射面のパワー回折面は、位相関数:winとして、
win=Cz・Z2
で表されるものである。係数:Czは、Cz=−2.5359×10−2である。
A specific configuration of the “anamorphic optical element” as the second optical element in the embodiment shown in FIG. 1 is shown below.
The anamorphic optical element 4 is a second optical element that guides the light beam transmitted through the
Power diffractive surface of the incident surface, the phase function: as w in,
w in = C z · Z 2
It is represented by Coefficient: C z is C z = −2.5359 × 10 −2 .
図1に示す実施例1における「光偏向器」、「防音ガラスG1」の具体例を以下に示す。
光偏向器としてのポリゴンミラー5は、反射面数:6面で内接円半径:13mmのものである。
防音ガラスG1は、前記ガラス1を材質とし、厚さ:1.9mmで、上記Y方向(図の上下方向)の傾き角:αは12度である。
また、光源側から入射する光ビームの進行方向に対して、ポリゴンミラー5の偏向反射面により被走査面8における像高:0の位置へ向けて反射される光ビームの進行方向がなす角:θは68度である。
Specific examples of “optical deflector” and “soundproof glass G1” in Example 1 shown in FIG. 1 are shown below.
The
The soundproof glass G1 is made of the
Further, the angle formed by the traveling direction of the light beam reflected toward the position of the image height: 0 on the scanned
実施例1における、主走査方向及び副走査方向のビームウエスト位置変動は、表6のようになっている。
表6
Table 6 shows beam waist position fluctuations in the main scanning direction and the sub-scanning direction in the first embodiment.
Table 6
これに対し、仮にカップリングレンズ2にパワー回折面を採用しないとすれば、ビームウエスト位置変動は、表7のようになる。
表7
これらの表からわかるとおり、回折部のパワーと屈折部のパワーが相殺するように設定されているパワー回折面の効果で、それぞれのビームウエスト位置変動が低減されていることがわかる。
On the other hand, if a power diffractive surface is not employed for the
Table 7
As can be seen from these tables, it can be seen that each beam waist position variation is reduced by the effect of the power diffractive surface set so that the power of the diffractive part and the power of the refracting part cancel each other.
図3は、本発明にかかる光走査装置の実施例2を示す光学配置図である。図3において、符号1は光源である半導体レーザ、符号2は第1の光学素子としてのカップリングレンズ、符号3はアパーチュア、符号4は第2の光学素子としてのアナモフィック光学素子、符号5は光偏向器である回転多面鏡のポリゴンミラー、符号6は第3の光学素子としての走査光学系、符号8は被走査面をそれぞれ示す。また、符号G1は、ポリゴンミラー5を収納する防音ハウジング(図示されず)の窓を塞ぐ防音ガラスを示し、符号G2は、図3に示す光走査装置の光学系を収納するハウジングの偏向光ビーム射出部に設けられた防塵ガラスを示している。
FIG. 3 is an optical arrangement diagram showing Example 2 of the optical scanning device according to the present invention. In FIG. 3,
半導体レーザ1から放射された発散性の光ビームは、カップリングレンズ2により所望の断面形態の光ビームに変換され、アパーチュア3によりビーム整形されてアナモフィック光学素子4に入射する。アナモフィック光学素子4を透過した光ビームは、副走査方向に集束しつつ防音ガラスG1を透過して、ポリゴンミラー5の偏向反射面近傍に、主走査方向に長い線像として結像する。ポリゴンミラー5の偏向反射面で反射され他光ビームは、防音ガラスG1を透過して走査光学系6に入射する。走査光学系6は2枚のレンズ6−1、6−2により構成されていて、これらレンズ6−1、6−2を透過した光ビームは防塵ガラスG2を透過して被走査面8に入射し、走査光学系6の作用により被走査面8上に光スポットを形成する。
The divergent light beam emitted from the
ポリゴンミラー5が等速回転すると、その偏向反射面により反射された光ビームは等角速度的に偏向する。走査光学系6は等角速度的に偏向しつつ入射してくる光ビームによる光スポットが、被走査面8上において主走査方向(図3の上下方向)へ等速的に移動するようにするfθ特性を有しており、光スポットは、被走査面8を等速的に光走査する。走査光学系6を構成するレンズ6−1、6−2もアナモフィックな光学素子であり、副走査方向においてはポリゴンミラー5の偏向反射面位置と被走査面8の位置とを幾何光学的な共役関係としており、これによりポリゴンミラー5の偏向反射面の面倒れを補正している。被走査面8は、実体的には感光性媒体(例えば、感光体ドラム)の感光面である。
When the
アナモフィック光学素子4は、片面が球面に形成された同心円状のパワー回折面、他方の面はシリンドリカル面に形成された直線状のパワー回折面を有するアナモフィックな樹脂製レンズである。図4は、アナモフィック光学素子4を示すもので、図の左右方向が主走査方向、上下方向が副走査方向である。図4(a)は、アナモフィック光学素子4を光軸方向から見た正面図であり、一方側(正面側)の面には図4(a)(c)(d)に示されているように、同心円状の複数の溝の集合による、同心円状のパワー回折面4Aが形成されている。アナモフィック光学素子4の他方の面(裏面)には、図4(b)(c)(d)に示されているように、直線状の溝の集合による直線状のパワー回折面4Bが形成されている。
The anamorphic optical element 4 is an anamorphic resin lens having a concentric power diffractive surface having one surface formed into a spherical surface, and the other surface having a linear power diffractive surface formed as a cylindrical surface. FIG. 4 shows the anamorphic optical element 4, in which the horizontal direction in the figure is the main scanning direction and the vertical direction is the sub-scanning direction. FIG. 4A is a front view of the anamorphic optical element 4 viewed from the optical axis direction, and the one side (front side) surface is shown in FIGS. 4A, 4C, and 4D. In addition, a concentric
図4(c)は、アナモフィック光学素子4の主走査方向と光軸方向とに平行な仮想的切断面における端面図であり、図4(d)は、アナモフィック光学素子4の副走査方向と光軸方向とに平行な仮想的切断面における端面図である。これら端面図に示されているように、片面は球面に形成された同心円状のパワー回折面4A、他方の面はシリンドリカル面に形成された直線状のパワー回折面4Bを有するアナモフィックなレンズになっている。光源側からアナモフィック光学系4に入射する光ビーム(平行光ビーム)は、アナモフィック光学素子4を透過すると、主走査方向には平行で、副走査方向には集束するビーム形態となる。パワー回折面の主・副走査方向のパワーは、半導体レーザ1におけるモードホップや温度変化に起因する、主走査方向および/または副走査方向のビームウエスト位置の変動を略0とするように設定される。
4C is an end view of a virtual cut surface parallel to the main scanning direction and the optical axis direction of the anamorphic optical element 4, and FIG. 4D is a sub-scanning direction of the anamorphic optical element 4 and the light. It is an end view in the virtual cut surface parallel to an axial direction. As shown in these end views, one surface is an anamorphic lens having a concentric
次に、図3に示す実施例2の各構成要素の具体例について説明する。上記実施例および後述する比較例において用いるガラス材料(以下「ガラス1」および「ガラス2」と称する。)および樹脂材料(「樹脂1」と称する。)のデータを表8に挙げる。
表8
Next, a specific example of each component of Example 2 shown in FIG. 3 will be described. Table 8 shows data of glass materials (hereinafter referred to as “
Table 8
表8において「中央値」とあるのは、基準温度:25℃における使用波長に対する屈折率、「波長飛び」とあるのは、モードホップにより波長飛びを生じたときの屈折率、「温度変動」とあるのは、温度が基準温度から20度上昇したときの屈折率である。モードホップによる「波長飛び」は、余裕を見て0.8nmの波長変化を想定している。 In Table 8, “median” is the refractive index with respect to the wavelength used at the reference temperature: 25 ° C., and “wavelength jump” is the refractive index when the wavelength jump occurs due to mode hops, and “temperature fluctuation”. This is the refractive index when the temperature rises by 20 degrees from the reference temperature. “Wavelength skip” due to mode hopping assumes a wavelength change of 0.8 nm with a margin.
光学系の各要素は以下のとおりである。
「光源」
光源である半導体レーザ1は設計上の発光波長:655nmで、標準温度:25℃に対して温度が1℃上昇すると、発光波長が0.2nm、長波長側へずれる。モードホップは上記の如く0.8nmの波長変化を想定している。
Each element of the optical system is as follows.
"light source"
The
「カップリングレンズ」
カップリングレンズ2は、上記ガラス1を材料とするガラスレンズであり、焦点距離:27mmでコリメート作用を有するように、前側主点が半導体レーザ1の発光部から27mm離れた位置に配置される。カップリングレンズ2には非球面が用いられ、コリメートされた光ビームの波面収差を非球面により十分に補正している。半導体レーザ1とカップリングレンズ2とは、線膨張係数:7.0×10−5の材質による保持部材に固定的に保持されている。
"Coupling lens"
The
「アパーチュア」
アパーチュア3は、主走査方向の開口径:8.14mm、副走査方向の開口径:2.96mmの「長方形形状の開口」を有し、カップリングレンズ2によりコリメートされた光ビームをビーム整形する。
"Aperture"
The aperture 3 has a “rectangular opening” having an aperture diameter of 8.14 mm in the main scanning direction and an aperture diameter of 2.96 mm in the sub-scanning direction, and shapes the light beam collimated by the
「アナモフィック光学素子」
アナモフィック光学素子4は、入射側面が、球面に形成された同心円状のパワー回折面で、射出側面は、シリンドリカル面に形成された直線状のパワー回折面を形成したものである。入射面のパワー回折面は、位相関数:win
win=C0・r2
で表されるものであり、入射面のパワー回折面は、位相関数:wout
wout=Cz・Z2
で表されるものである。なお、rは
r2=Y2+Z2
であり、Yは光軸を原点とする主走査方向の座標、Zは光軸を原点とする副走査方向の座標で、係数:C0、Czは、C0=−2.0373×10−3、Cz=−1.5004×10−2である。入射側面の回折部は、曲率半径−246.5mmの球面を構成している屈折部に形成される。そのため、出来上がったパワー回折面は階段形状となる。射出側面の回折部は、曲率半径69.16mmのシリンダ面を構成している屈折部に形成される。
"Anamorphic optics"
The anamorphic optical element 4 has a concentric power diffractive surface formed on a spherical surface on the incident side, and a linear power diffractive surface formed on a cylindrical surface on the exit side. Power diffractive surface of the incident surface, the phase function: w in
w in = C 0 · r 2
The power diffractive surface of the incident surface has a phase function: w out
w out = C z · Z 2
It is represented by R is r 2 = Y 2 + Z 2
Y is a coordinate in the main scanning direction with the optical axis as the origin, Z is a coordinate in the sub-scanning direction with the optical axis as the origin, and coefficients: C 0 and C z are C 0 = −2.0373 × 10 −3 and C z = −1.504 × 10 −2 . The diffractive portion on the incident side surface is formed in a refracting portion constituting a spherical surface having a curvature radius of −246.5 mm. Therefore, the completed power diffraction surface has a staircase shape. The diffractive portion on the exit side surface is formed in a refracting portion constituting a cylinder surface having a curvature radius of 69.16 mm.
「光偏向器」
光偏向器としてのポリゴンミラー5は、反射面数:5面で、内接円半径:18mmのものである。アナモフィック光学素子4の射出側面と、ポリゴンミラー5の回転軸との距離は、図3に示す配置で、左右方向の距離:x、上下方向の距離:yが、x=82.97mm、y=112.77mmに設定されている。
"Optical deflector"
The
防音ガラスG1はガラス1を材質とし、厚さ:1.9mmで、上記y方向(図の上下方向)からの傾き角:αは16度である。また、光源側から入射する光ビームの進行方向と、偏向反射面によって被走査面8における像高:0の位置へ向けて反射される光ビームの進行方向とのなす角:θは58度である。
The soundproof glass G1 is made of
表9に、光偏向器以降の光学系データを示す。
表9
Table 9 shows optical system data after the optical deflector.
Table 9
上の表記において、Rmは「主走査方向の近軸曲率」、Rsは「副走査方向の近軸曲率」であり、Dx、Dy(表9では「X」「Y」と表記)は、各光学素子の原点から次の光学素子の原点までの相対距離を表している。単位はmmである。例えば、光偏向器に対する上記相対距離Dx、Dyについてみると、光偏向器(ポリゴンミラー5)の回転軸から見て、走査光学系6のレンズ6−1の入射面の原点(入射側面の光軸位置)は、光軸方向(x方向、図1の左右方向)に79.75mm離れ、主走査方向(y方向、図1の上下方向)に8.8mm離れている。また、レンズ6−1の光軸上の肉厚は22.6mm、レンズ6−1と6−2の間の面間隔は75.85mm、レンズ6−2の光軸上の肉厚は4.9mm、レンズ6−2から被走査面までの距離は158.71mmである。なお、走査光学系6のレンズ6−2と被走査面の間には、図3に示すように、ガラス1を材質とする厚さ:1.9mmの防塵ガラスG2が配置されている。
In the above notation, R m is “paraxial curvature in the main scanning direction”, R s is “paraxial curvature in the sub-scanning direction”, and expressed as D x , D y (“X” and “Y” in Table 9). ) Represents the relative distance from the origin of each optical element to the origin of the next optical element. The unit is mm. For example, regarding the relative distances D x and D y with respect to the optical deflector, the origin (incident side surface) of the incident surface of the lens 6-1 of the scanning
走査光学系6のレンズ6−1、6−2の各面は非球面である。レンズ6−1の入射側面とレンズ6−2の入射側面および射出側面は、主走査方向には「式1」で与えられる非円弧形状で、副走査断面(光軸と副走査方向とに平行な仮想的断面)内の曲率が主走査方向に「式2」に従って変化する特殊面である。また、レンズ6−1の射出側面は「式3」により表現される回転対称非球面である。
Each surface of the lenses 6-1 and 6-2 of the scanning
レンズ6−1の入射側面(特殊面)の係数を表10に挙げる。
表10
Table 10 lists the coefficients of the incident side surface (special surface) of the lens 6-1.
Table 10
レンズ6−1の射出側面(回転対称非球面)の係数を表11に挙げる。
表11
Table 11 lists the coefficients of the exit side surface (rotationally symmetric aspheric surface) of the lens 6-1.
Table 11
レンズ6−2の入射側面(特殊面)の係数を表12に挙げる。
表12
Table 12 lists the coefficients of the incident side surface (special surface) of the lens 6-2.
Table 12
レンズ6−2の射出側面(特殊面)の係数を表13に挙げる。
表13
Table 13 lists the coefficients of the exit side surface (special surface) of the lens 6-2.
Table 13
実施例2における、主走査方向及び副走査方向のビームスポット径と、ビームウエスト位置が被走査面に対してデフォーカスしたときの関係を、図5(a)、(b)に示す。これらの図には、基準温度:25℃のときの関係(以下「常温」という)と、常温に対して20℃の温度上昇があるときの関係(「温度変動」)と、モードホップにより発光波長が0.8nm変化した場合の関係(「波長飛び」)を示している。 FIGS. 5A and 5B show the relationship when the beam spot diameter in the main scanning direction and the sub-scanning direction and the beam waist position are defocused with respect to the surface to be scanned in the second embodiment. These figures show the relationship when the reference temperature is 25 ° C. (hereinafter referred to as “room temperature”), the relationship when there is a temperature increase of 20 ° C. relative to the room temperature (“temperature fluctuation”), and light emission due to mode hops. The relationship when the wavelength is changed by 0.8 nm (“wavelength skip”) is shown.
図5(a)は主走査方向のビームスポット径、(b)は副走査方向のビームスポット径を示すものであり、何れも光スポットの像高:0のときのものである。図5から明らかなように、実施例2の光走査装置では、ビームスポット径とデフォーカス量との関係は、主・副走査方向とも、常温状態でも温度変動状態でも波長飛び状態でも実質的に変化しない。このことは、主走査方向・副走査方向のビームウエスト位置が、温度変動やモードホップに拘わらず実質的に変化しないことを意味している。 5A shows the beam spot diameter in the main scanning direction, and FIG. 5B shows the beam spot diameter in the sub-scanning direction, both of which are when the image height of the light spot is zero. As is apparent from FIG. 5, in the optical scanning apparatus of the second embodiment, the relationship between the beam spot diameter and the defocus amount is substantially the same in the main and sub-scanning directions in the normal temperature state, the temperature fluctuation state, and the wavelength jump state. It does not change. This means that the beam waist position in the main scanning direction and the sub-scanning direction does not substantially change regardless of temperature fluctuations and mode hops.
次に、実施例1或いは実施例2のパワー回折面が加工誤差を有している場合について考察する。
例えば、実施例2のアナモフィック光学素子の入射面側に採用されている、球面に形成された同心円状のパワー回折面の溝間隔は、光軸から離れるに従い徐々に短くなるが、この溝間隔は本実施例においては最小値としても100μm程度である。これに対して2μm、4μm、6μmの加工誤差を有しているとする。この加工誤差はアナモフィック光学素子のパワーを大きく変動させ、そのまま光走査装置に搭載すると、光ビームの集光点は被走査面8から大きくずれてしまい、ビームスポットが大きくなってしまう。このような光走査装置を特にカラー光プリンタなどに展開すると、色再現性が劣化し階調性が失われてしまう。しかし、この光ビームの集光点のずれは、全像高に亘ってほぼ同量であるから、このアナモフィック光学素子を光軸方向に変移させれば吸収することができる。
Next, the case where the power diffraction surface of Example 1 or Example 2 has a processing error will be considered.
For example, the groove interval of the concentric power diffractive surface formed on the spherical surface, which is employed on the incident surface side of the anamorphic optical element of Example 2, gradually decreases as the distance from the optical axis increases. In this embodiment, the minimum value is about 100 μm. On the other hand, it is assumed that there are processing errors of 2 μm, 4 μm, and 6 μm. This processing error greatly fluctuates the power of the anamorphic optical element, and if it is mounted on the optical scanning device as it is, the condensing point of the light beam is greatly deviated from the scanned
図6は、上記光ビームの集光点ずれを吸収するための機構を示す模式図である。図6において、符号100はアナモフィック光学素子、101はアナモフィック光学素子を固定するホルダーを示す。ホルダー101は、ハウジングに設けられた突き当て基準ピン102とギア103に、図示されないバネの付勢力で押し当てられることによって位置決めされている。ホルダー101の側面にはギア103と接触する部分にラック状のギアがあり、このラック状のギアが上記ギア103と噛み合っている構成をしている。従って、ギア103を回転させるとそれに伴ってホルダー102が光軸方向に沿って稼動する。このような構成であれば、アナモフィック光学素子を光軸方向に変移させることが可能であるので、アナモフィック光学素子に採用されているパワー回折面が加工誤差を有している場合でも、所望のビームスポットを被走査面上に結ばせることができる。
もちろん、このようなメカニカルな機構を採用することを必須の要件とするものではなく、アナモフィック光学素子を光走査装置に固定する際に位置を調整し、接着剤で固定するという方式もある。このようにすると調整機構がなくなり、調整後は不要となる部品を光走査装置内に残さない点で有利である。
FIG. 6 is a schematic view showing a mechanism for absorbing the converging point shift of the light beam. In FIG. 6,
Of course, it is not an essential requirement to adopt such a mechanical mechanism, and there is a method of adjusting the position when fixing the anamorphic optical element to the optical scanning device and fixing it with an adhesive. This is advantageous in that there is no adjustment mechanism, and no unnecessary parts are left in the optical scanning device after adjustment.
なお、この方式の前提として、アナモフィック光学素子に加工誤差があっても、所望の回折効果が得られなければならない。しかし、溝間隔に2μm、4μm、6μmの加工誤差があったとしても、設計中央値と全くかわらない回折効果が期待できる。図7はそのことを示すものであって、温度25℃から、10℃、45℃とアナモフィック光学素子の雰囲気温度が変化した場合に、アナモフィック光学素子の焦点距離変動が全く同じであることが理解できる。 As a premise of this method, a desired diffraction effect must be obtained even if the anamorphic optical element has a processing error. However, even if there is a processing error of 2 μm, 4 μm, or 6 μm in the groove interval, a diffraction effect that is completely different from the design median value can be expected. FIG. 7 shows this, and it is understood that when the ambient temperature of the anamorphic optical element changes from 25 ° C. to 10 ° C. and 45 ° C., the focal length variation of the anamorphic optical element is exactly the same. it can.
図8は、本発明にかかる光走査装置を用いた画像形成装置の実施例を概略的に示している。この実施例にかかる画像形成装置は、タンデム型フルカラー光プリンタである。図8において、装置下部には、水平方向に配設された給紙カセット30から給紙される転写紙(図示されず)を略水平方向に搬送する搬送ベルト32が設けられている。搬送ベルト32の上面側には、イエローY用の感光体7Y、マゼンタM用の感光体7M、シアンC用の感光体7C、及びブラックK用の感光体7Kが、搬送ベルト32による転写紙の搬送方向上流側から上記の順に等間隔で配設されている。以下、符号中に付するY、M、C、Kでイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックを区別する。感光体7Y、7M、7C、7Kは像担持体としても機能し、全て同一径に形成され、その周囲に、電子写真プロセスに従い画像形成プロセスを実行するためのプロセス部材が順に配設されている。感光体3Yを例に採れば、感光体の回転方向である時計方向に、帯電チャージャ40Y、光走査装置50Y、現像装置60Y、転写チャージャ30Y、クリーニング装置80Y等が順に配設されている。他の感光体3M、3C、3Kについても同様である。すなわち、この画像形成装置は、感光体7Y、7M、7C、7Kを色成分毎に設定された被走査面とするものであり、各々に対して光走査装置50Y、50M、50C、50Kが1対1の対応関係で設けられている。
FIG. 8 schematically shows an embodiment of an image forming apparatus using the optical scanning device according to the present invention. The image forming apparatus according to this embodiment is a tandem type full-color optical printer. In FIG. 8, a
上記光走査装置50Y、50M、50C、50Kは、それぞれが図1、図3に示すような光学配置を有する光走査装置を独立に用いることもできる。また、例えば、特開2004−280056号公報等により従来から知られているもののように、光偏向器(回転多面鏡)を共用し、各光走査装置における走査光学系のレンズ6−1(図3に示す実施例参照)を、感光体7Mと7Yの光走査に共用するとともに、感光体7K、7Cの光走査に共有するものとすることもできる。
As the
搬送ベルト32の周囲には、感光体7Yよりも転写紙搬送方向上流側に位置させてレジストローラ9と、ベルト帯電チャージャ10が設けられ、感光体7Kよりも下流側に位置させてベルト分離チャージャ11、除電チャージャ12、クリーニング装置13等が設けられている。ベルト分離チャージャ11よりも搬送方向下流側には定着装置14が設けられ、排紙トレイ15に向けて排紙ローラ16で結ばれている。
Around the
このような構成において、例えば、フルカラーモード時であれば、帯電チャージャによって均一に帯電された各感光体7Y、7M、7C、7Kの表面(すなわち、被走査面)に対し、Y、M、C、K各色の画像信号に基づき各光走査装置50Y、50M、50C、50Kによって光走査すると、上記各感光体表面に静電潜像が形成される。これら静電潜像は、対応する現像装置から対応する色トナーが供給されて現像され、トナー画像となる。これら各色のトナー画像は、搬送ベルト32上に静電的に吸着されて搬送される転写紙上に順次転写されることにより重ね合わせられてフルカラー画像となり、定着装置14により定着された後、排紙トレイ15上に排紙される。
In such a configuration, for example, in the full color mode, Y, M, and C are applied to the surfaces (that is, the scanned surfaces) of the
かかる画像形成装置の、露光プロセスを実行する光走査装置として、実施例1、実施例2で説明した光走査装置を用いることにより、常に安定したビームスポット径を得ることができ、高精細な印字に適した画像形成装置をコンパクトで且つ安価に実現することができる。 By using the optical scanning device described in the first and second embodiments as an optical scanning device that executes the exposure process of such an image forming apparatus, a stable beam spot diameter can be obtained at all times, and high-definition printing is performed. An image forming apparatus suitable for the above can be realized in a compact and inexpensive manner.
本発明に係る画像形成装置は、像担持体としての感光体を1個備え、これに対応した光走査装置を備えたモノクロ方式の画像形成装置として構成することもできる。
第1、第2、第3の光学素子の少なくとも一つを樹脂製レンズとし、この樹脂製レンズの少なくとも一つにパワー回折面を形成すればよい。
The image forming apparatus according to the present invention can also be configured as a monochrome image forming apparatus including one photoconductor as an image carrier and a corresponding optical scanning device.
At least one of the first, second, and third optical elements may be a resin lens, and a power diffraction surface may be formed on at least one of the resin lenses.
1 光源としての半導体レーザ
2 第1の光学素子であるカップリングレンズ
3 アパーチュア
4 第2の光学素子であるアナモフィック光学素子
5 光偏向器としてのポリゴンミラー
6 第3の光学素子
7Y 像担持体としての感光体
7M 像担持体としての感光体
7CY 像担持体としての感光体
7K 像担持体としての感光体
8 被走査面
DESCRIPTION OF
Claims (12)
上記第1、第2、第3の光学素子の少なくとも一つは樹脂製レンズを含み、
この樹脂製レンズの少なくとも一つはパワー回折面を有し、
上記パワー回折面の少なくとも1つの面形状は、回折部のパワーと屈折部のパワーが相殺するように設定されている光走査装置。 A first optical element that converts a cross-sectional form of a light beam from a semiconductor laser into a desired form, a second optical element that guides a light beam that has passed through the first optical element to an optical deflector, and an optical deflector An optical scanning device comprising a third optical element that focuses a deflected light beam on a surface to be scanned to form a light spot and optically scans the surface to be scanned,
At least one of the first, second, and third optical elements includes a resin lens,
At least one of the resin lenses has a power diffractive surface,
An optical scanning device in which at least one surface shape of the power diffractive surface is set such that the power of the diffractive portion and the power of the refracting portion cancel each other.
光走査手段は、請求項1〜10のいずれかに記載の光走査装置である画像形成装置。 An image forming apparatus having an image forming unit that forms a latent image by performing optical scanning with a light scanning unit on a photosensitive image carrier, and visualizes the latent image with a developing unit to obtain an image.
An image forming apparatus, wherein the optical scanning unit is the optical scanning device according to claim 1.
像担持体は複数配置され、
光走査手段は請求項1〜10のいずれかに記載の光走査装置であって各像担持体に対応した光ビームで走査することができ、
各光ビームは色成分に対応した画像信号で変調されることにより各像担持体にその色成分に対応した潜像が形成され、
現像手段は各潜像をそれに対応した色のトナーで可視化する、カラー対応の画像形成装置。
An image forming apparatus having an image forming unit that forms a latent image by performing optical scanning with a light scanning unit on a photosensitive image carrier, and visualizes the latent image with a developing unit to obtain an image.
A plurality of image carriers are arranged,
The optical scanning unit is an optical scanning device according to any one of claims 1 to 10, and can scan with a light beam corresponding to each image carrier,
Each light beam is modulated with an image signal corresponding to a color component, whereby a latent image corresponding to the color component is formed on each image carrier,
A developing unit visualizes each latent image with toner of a color corresponding to the latent image, and a color-compatible image forming apparatus.
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