JP2007248670A - Optical scanner and image forming apparatus - Google Patents

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Koji Sakai
浩司 酒井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical scanner and an image forming apparatus using the same, while being facilitated to mold a diffracting surface employed for an optical element at low cost, by making optical scans with a stable beam spot diameter, even without making the shape accuracy of the diffracting surface high. <P>SOLUTION: The optical scanner is equipped with a first optical element 2, which shapes the sectional form of a light beam from a semiconductor laser 1, a second optical element 4 which guides a light beam transmitted through the first optical element 2 to an optical deflector 5, and a third optical element 6, which converges a light beam deflected by the optical deflector on a scanned surface 8 to form a light spot and optically scan the scanned surface. At least one among the first, second, and third optical elements is a resin-made lens, and at least one of which is a diffracting optical element. The diffraction optical element has an anamorphic power diffracting surface, formed on a plane substrate as one surface and a rotationally symmetric surface as the surface on the reverse side. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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、精細度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. What can form a high-quality image is desired.
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 Patent Document 1, a light source optical system for condensing laser light emitted from a laser light source into parallel light in the main scanning direction and in the sub-scanning direction in the vicinity of the deflecting reflection surface of the optical deflector has a rotational symmetry axis. There is disclosed an optical scanning device having one or more reflecting surfaces and two transmitting surfaces, a power diffractive surface provided on the transmitting surface, and a single optical element made of resin. As a comparative example, a power diffractive surface is provided on each of a resin collimator lens that collimates a light beam from a semiconductor laser and a resin cylinder lens that focuses the collimated light beam in the sub-scanning direction. An optical scanning device provided is disclosed. The “power diffractive surface” is a diffractive surface having lens power by diffraction.

特開2002−287062号公報JP 2002-287062 A

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6(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6(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6(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る。特にパワー回折面に与えようとするパワーが大きくなればなるほどその傾向は飛躍的に大きくなる。ここで問題になるのは、入射面と射出面の面間相互の偏心である。特に、光軸中心に対する回転の偏心は波面収差を著しく劣化させ、被走査面上のビームスポット径を太らせる原因になる。   Patent Document 1 discloses “one optical element having one or more reflecting surfaces not having a rotational symmetry axis and two transmitting surfaces, provided with a power diffractive surface on the transmitting surface, and made of resin. The light source optical system according to the method requires the formation of a transmission surface and a reflection surface in one optical element, and includes a curved reflection surface, so that it is not always easy to manufacture and the cost of the optical scanning device is low. There is still room for improvement in terms of conversion. In general, in order to form a power diffractive surface, a fine processing technique is required, and an extremely high accuracy is required. For example, when a power diffractive surface having a power equivalent to that of a spherical lens as shown in FIG. 6B is illustrated, the shape is as shown in FIG. That is, the spherical surface of the spherical lens is divided along contour lines, and the divided spherical surface is arranged on a flat base so as to have a uniform height, thereby forming a corrugated cross section. In other words, it is a shape in which only inclined surfaces on which light is refracted are arranged concentrically. As is clear from FIG. 6B, the rising angle of the inclined surface that draws an arc increases as the power diffractive surface moves away from the optical axis, and the interval between the grooves, that is, the interval between adjacent inclined surfaces decreases. In particular, the greater the power to be applied to the power diffractive surface, the greater the tendency. The problem here is the mutual eccentricity between the entrance surface and the exit surface. In particular, the eccentricity of the rotation with respect to the center of the optical axis significantly deteriorates the wavefront aberration and causes the beam spot diameter on the surface to be scanned to be thickened.

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、光走査装置や画像形成装置に搭載される光学素子に採用される回折面の形状精度を高くしなくても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ようにして、回折面を安価で成形しやすいものと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 is also capable of performing optical scanning with a stable beam spot diameter without increasing the shape accuracy of a diffraction surface employed in an optical element mounted on an optical scanning device or an image forming apparatus, The object is to make the diffractive surface inexpensive and easy to mold.

本発明は、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。
樹脂製レンズの少なくとも1つは回折光学素子である。
上記回折光学素子は、一方の面形状が平面基板に形成されたアナモフィックなパワー回折面であり、反対側の面形状が回転対称な面である。
According to the first aspect of the present invention, the first optical element for converting the cross-sectional form of the light beam from the semiconductor laser into a desired form, and the light beam transmitted through the first optical element is optically deflected. A second optical element that guides light to the scanning device, and a third optical element that condenses the light beam deflected by the optical deflector onto the surface to be scanned to form a light spot and optically scans the surface to be scanned. The optical scanning device is configured as follows.
At least one of the first, second, and third optical elements includes a resin lens.
At least one of the resin lenses is a diffractive optical element.
The diffractive optical element is an anamorphic power diffractive surface in which one surface shape is formed on a flat substrate, and the opposite surface shape is a rotationally symmetric surface.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の光走査装置において、回折光学素子の一方の面は平面基板に複数の平行な直線状の溝が形成されたパワー回折面であり、回折光学素子の反対側の面は平面であることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の光走査装置において、回折光学素子は、第2の光学素子として採用されており、少なくとも副走査方向に正のパワーを有していて、光ビームを光偏向器の偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像させる機能を有していることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the optical scanning device according to the first aspect, one surface of the diffractive optical element is a power diffractive surface in which a plurality of parallel linear grooves are formed on a flat substrate, and the diffractive optical element The opposite surface is a flat surface.
According to a third aspect of the present invention, in the optical scanning device according to the second aspect, the diffractive optical element is employed as the second optical element, and has a positive power at least in the sub-scanning direction. In the vicinity of the deflecting reflection surface of the optical deflector as a long line image in the main scanning direction.

請求項4記載の発明は、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、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とするように設定されていることを特徴とする。
上記「パワー回折面」は、前述のとおり、レンズ作用と同等な回折機能を有する回折面である。「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」との意味である。
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical scanning device according to any one of the first to third aspects, the power diffractive surface has a main scanning direction and / or a sub-scanning direction caused by a mode hop or temperature change in the semiconductor laser. The variation of the beam waist position is set to be substantially zero.
As described above, the “power diffractive surface” is a diffractive surface having a diffraction function equivalent to a lens action. “Due to mode hop and / or temperature change” means “Due to mode hop and / or temperature change”.

請求項5記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の光走査装置において、回折光学素子は、光軸方向に沿って調整可能であることを特徴とする。
請求項5記載の発明において、第1の光学素子は、光源である半導体レーザからの光ビームを所望の断面形態の光ビームに変換するが、請求項5記載の発明では、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のパワーを持たなければ、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、上記第2の光学素子の光軸方向への調整で吸収(低減)することができる。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、それぞれ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」とは、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。
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical scanning device according to any one of the first to fourth aspects, the diffractive optical element can be adjusted along the optical axis direction.
In the invention according to claim 5, the first optical element converts a light beam from a semiconductor laser as a light source into a light beam having a desired cross-sectional shape. In the invention according to claim 5, the first optical element It is preferable that this action is a collimating action. Furthermore, it is preferable that the second optical element has no power in the main scanning direction. If the second optical element does not have power in the main scanning direction, a processing error at the time of initial assembly of the optical system, a beam waist position variation in the sub-scanning direction when an assembly error occurs, By displacing the optical element in the optical axis direction, adjustment can be performed without affecting the optical characteristics in the main scanning direction. Therefore, even if the shape accuracy of the diffractive surface employed in the second optical element is not required at a high level, fluctuations in power caused by processing errors are absorbed by adjustment of the second optical element in the optical axis direction. (Reducing). In particular, if adjustment can be performed without affecting the optical characteristics in the main scanning direction, the first optical element can be adjusted independently in the main scanning direction, and the second optical element can be adjusted independently in the sub scanning direction. Adjustment 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.

請求項6記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の光走査装置において、回折光学素子は、光軸周りに調整可能であることを特徴とする。
請求項7記載の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の光走査装置において、第1、第2、第3の光学素子の全てが樹脂製レンズであることを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, in the optical scanning device according to any one of the first to fifth aspects, the diffractive optical element can be adjusted around the optical axis.
The invention according to claim 7 is the optical scanning device according to any one of claims 1 to 6, wherein all of the first, second and third optical elements are resin lenses.

請求項8記載の発明は、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、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あることを特徴とする。
光源として用いられる半導体レーザは、通常のものを1つ用いてシングルビーム走査方式を行うように構成することもできるが、請求項8記載の発明のように、複数の発光部を有する半導体レーザアレイを用いることにより、あるいは複数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の光走査装置を構成することができる。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。よって、請求項8記載の光走査装置は好ましい形態である。
According to an eighth aspect of the present invention, in the optical scanning device according to any one of the first to seventh aspects, the semiconductor laser is a semiconductor laser array having a plurality of light emitting portions.
The semiconductor laser used as the light source can be configured to perform a single beam scanning method using one normal laser, but as in the invention according to claim 8, a semiconductor laser array having a plurality of light emitting portions By using the above, or by using a plurality of semiconductor lasers, a multi-beam scanning optical scanning device can be configured. The semiconductor laser array has better assembly stability than using multiple semiconductor lasers, and the light beam is incident on the anamorphic optical element in almost the same manner, so the optical characteristics vary among the multiple light beams. Can be reduced. Therefore, the optical scanning device according to claim 8 is a preferable mode.

請求項9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乃至8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。
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。2以上の画像形成部を備える場合、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用するようにしてもよい。
画像形成部を2以上配置する場合、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配置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、所定の方向に配列させた複数の像担持体それぞれに対して個別に画像形成部を配備することもできる。
The invention according to claim 9 has an image forming section for forming a latent image by performing optical scanning by the optical scanning means on the photosensitive image carrier and visualizing the latent image by the developing means to obtain an image. An image forming apparatus, wherein the optical scanning unit is the optical scanning apparatus according to any one of claims 1 to 8.
It is possible to form a monochrome image with a single image forming unit, or to form an image forming apparatus so that two or more image forming units form a two-color image, a multicolor image, or a color image. It can also be configured. When two or more image forming units are provided, the optical scanning device that performs optical scanning in each image forming unit may be separate for each image forming unit. For example, according to Japanese Patent Laid-Open No. 2004-280056 As is known, a part of the optical element, for example, a part of the optical deflector or the scanning optical system may be shared by the plurality of scanning optical systems.
When two or more image forming units are arranged, two or more image forming units can be arranged at different positions with respect to the same image carrier, or in a predetermined direction as in a so-called tandem color image forming apparatus. An image forming unit can be individually provided for each of the plurality of image carriers arranged in the above.

請求項10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乃至8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。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an image forming unit 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. 9. An image forming apparatus, wherein a plurality of image carriers are arranged, and the optical scanning unit scans with a light beam corresponding to each image carrier according to any one of claims 1 to 8. Each light beam is modulated with an image signal corresponding to the color component, whereby a latent image corresponding to the color component is formed on each image carrier, and the developing unit converts each latent image with a toner of a color corresponding to the latent image. It is a color-compatible image forming apparatus that is visualized.

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、例えば温度変動や波長変化に対して、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変動に関して簡単に考察する。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、温度変動に伴う
1.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。
1.の樹脂製レンズの屈折率自体の変化は、温度が上昇すると樹脂が膨張し低密度化することによって、屈折率が減少する現象として現れる。2.の樹脂製レンズの形状変化は、温度が上昇すると樹脂が膨張し、レンズ面の曲率が減少する現象として現れる。3.の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。すなわち、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。
Here, in the case where a resin lens is included in the optical system of the optical scanning device, the beam waist position variation of the light beam collected toward the scanned surface with respect to environmental variation, for example, temperature variation or wavelength variation. Consider briefly. First, the cause of beam waist position fluctuations due to temperature fluctuations is as follows. Changes in the refractive index of the resin lens itself,
2. Plastic lens shape change,
3. Refractive index change (chromatic aberration) of resin lens due to wavelength change of semiconductor laser,
Can be considered.
1. The change in the refractive index of the resin lens itself appears as a phenomenon in which the refractive index decreases due to the resin expanding and decreasing in density as the temperature rises. 2. This change in the shape of the resin lens appears as a phenomenon in which the resin expands as the temperature rises and the curvature of the lens surface decreases. 3. The change in the emission wavelength of the semiconductor laser generally appears as a phenomenon that shifts to the longer wavelength side as the temperature rises. When the wavelength shifts to the longer wavelength side, the refractive index of the resin lens generally shifts to the decreasing side. In other words, regardless of whether the resin lens is a positive lens or a negative lens, the absolute value of the power changes as the temperature rises.

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。   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.

ここで、パワー回折面の「回折部」と言っているのは、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ているものではなく、球面やシリンドリカル面に形成されたものを含んでいるので、回折面を形成している基板に当たる部分もパワーを有する場合がある。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」と呼ぶ。   Here, the “diffractive portion” of the power diffractive surface means that the power diffractive surface of the anamorphic optical element in the present invention is not necessarily formed on a flat surface, but formed on a spherical surface or a cylindrical surface. Therefore, there is a case where the portion that hits the substrate on which the diffractive surface is formed also has power. Therefore, in the present specification, this is called a “diffractive portion” of the power diffractive surface in the meaning of the power of only the diffractive surface excluding the power of the portion that hits the substrate.

いま少し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: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: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: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:D
とすると、光偏向器から離れる向きの変化を正とした場合、
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することができる。
For the sake of more specific explanation, let us consider a case where the environmental temperature rises when the power of the resin lens included in the optical system and the power of the “diffractive part” of the power diffractive surface are both positive.
Beam waist position fluctuation amount due to change in refractive index of resin lens: A
Beam waist position variation due to resin lens shape change: B
Beam waist position fluctuation amount due to change in refractive index of resin lens due to change in emission wavelength of semiconductor laser: C
Beam waist position fluctuation amount due to power change of “diffractive part” of power diffractive surface due to change in emission wavelength of semiconductor laser: D
If the change in the 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 the optical system including the resin lens is determined. Therefore, the power of the “diffractive portion” of the power diffraction surface is set so as to satisfy the condition that the beam waist position fluctuation amount is 0: A + B + C−D = 0. By setting, it is possible to satisfactorily correct the beam waist position fluctuation accompanying the temperature change.

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。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。   As described above, the change in the emission wavelength of the semiconductor laser as the light source is not only due to temperature change, but also due to mode hopping. 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. 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.

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」にあまりにも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。   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 increases.

以上説明した従来技術の問題点に鑑み、この発明の光走査装置では、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」のパワーを設定している。   In view of the problems of the prior art described above, in the optical scanning device of the present invention, the variation in the beam waist position in the main scanning direction and / or the sub-scanning direction due to the mode hop in the semiconductor laser and the temperature change is 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、先にも述べたように、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。この精度が確保できないと、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い、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。   The power diffractive surface to which the power is set in this way can generally take various shapes, but 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 this 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 high accuracy, a very good measurement technique is indispensable. However, even a power diffractive surface with 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られる回折光学素子のパワー回折面は、基板形状を平面とし、それにアナモフィックな溝形状を構成することでパワー回折面としている。また、回折光学素子の反対側の面形状を、回転対称な形状とすることを最大の特徴としている。基板形状を平面とすると、全ての溝の深さは不変であるので、溝の頂点高さが揃うことになり、形状の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。
さらに、反対側の面形状が光軸に対して回転対称な形状であるから、パワー回折面との間に偏心があったとしても、それによる影響が極めて少ないため、高度の加工精度が要求されず、にもかかわらず、ビームスポット径の太りを低減させることが可能となる。
Therefore, the power diffractive surface of the diffractive optical element used in the present invention is a power diffractive surface by forming a flat substrate shape and forming an anamorphic groove shape thereon. Further, the greatest feature is that the surface shape on the opposite side of the diffractive optical element is a rotationally symmetric shape. If the substrate shape is a flat surface, the depth of all the grooves is invariant, so the apex height of the grooves will be uniform, and not only will it be easy to measure the shape, it will also be very easy to process. .
Furthermore, since the surface shape on the opposite side is rotationally symmetric with respect to the optical axis, even if there is an eccentricity with the power diffractive surface, the effect of this is extremely small, so a high degree of machining accuracy is required. Nevertheless, it is possible to reduce the beam spot diameter.

上記のように、本発明にかかる光走査装置によれば、光源としての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。また、この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。   As described above, according to the optical scanning device of 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 and temperature change in the semiconductor laser as the light source is substantially zero. As described above, since the power of the power diffractive surface is set, 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 is always performed with a stable beam spot diameter. be able to. In addition, according to the image forming apparatus of the present invention using this 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 an embodiment of an optical scanning device. In FIG. 1, reference numeral 1 is a semiconductor laser as a light source, reference numeral 2 is a coupling lens as a first optical element, reference numeral 3 is an aperture, reference numeral 4 is an anamorphic optical element as a second optical element, and reference numeral 5 is light. A polygon mirror (rotating polygonal mirror) which is a deflector, reference numeral 6 denotes a scanning lens as a third optical element, and reference numeral 8 denotes a surface to be scanned. Reference numeral G1 indicates a soundproof glass that closes a window of a soundproof housing (not shown) that houses the polygon mirror 5, and reference numeral G2 indicates the emission of the deflected light beam of the housing that houses the optical system of the optical scanning device shown in FIG. The dustproof glass provided in the part is shown.

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 semiconductor laser 1 is converted into a light beam having a desired cross-sectional shape by the coupling lens 2, is shaped by the aperture 3, and enters the anamorphic optical element 4. The light beam that has passed through the anamorphic optical element 4 passes through the soundproof glass G1 while being focused in the sub-scanning direction, and forms a long line image in the vicinity of the deflecting reflection surface of the polygon mirror 5 in the main scanning direction. The light beam is reflected by the deflection reflection surface of the polygon mirror 5, passes through the soundproof glass G 1, and enters the scanning lens 6. The scanning lens 6 is composed of a single lens, and the light beam that has passed through the lens 6 passes through the dust-proof glass G2 and enters the surface to be scanned 8, and the light spot on the surface to be scanned 8 by the action of the scanning lens 6 Form.

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 polygon mirror 5 is driven to rotate at a constant speed by a motor. When the polygon mirror 5 rotates at a constant speed, the light beam reflected by the deflecting reflecting surface is deflected at a constant angular velocity. The scanning lens 6 has an fθ characteristic that allows a light spot by a light beam incident while being deflected at a constant angular velocity to move at a constant speed on the scanned surface 8 in the main scanning direction (vertical direction in FIG. 1). The light spot optically scans the scanned surface 8 at a constant speed. The scanning lens 6 is an anamorphic optical element, and in the sub-scanning direction, the position of the deflecting reflection surface of the polygon mirror 5 and the position of the surface 8 to be scanned are in a geometric optical conjugate relationship. The tilting of the reflective surface is corrected. The scanned surface 8 is essentially a photosensitive surface of a photosensitive medium such as a photosensitive drum.

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。上記実施例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

Figure 2007248670
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 “glass 1”) and the resin material (referred to as “resin 1”) used in the above examples.
Table 1
Figure 2007248670

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

Figure 2007248670
Table 2 shows optical system data arranged after the optical deflector.
Table 2
Figure 2007248670

表2において、Rは「主走査方向の近軸曲率」、Rは「副走査方向の近軸曲率」であり、D、D(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D、D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後述の「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後述の「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 scanning lens 6 on the optical axis is 13.5 mm, and the distance from the scanning lens 6 to the scanned surface 8 is 176 mm. In addition, between the scanning lens 6 and the to-be-scanned surface 8, as shown in FIG. 1, the dust-proof glass G2 of thickness 1.9mm which uses the glass 1 as a material is arrange | positioned. Each surface of the scanning lens 6 is an aspherical surface, and both surfaces have a non-arc shape given by “Expression 1” described later in the main scanning direction, and are sub-scanning sections (virtual parallel to the optical axis and the sub-scanning direction). This is a special surface in which the curvature in the cross section changes in the main scanning direction according to “Equation 2” described later.

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:R、光軸からの主走査方向の距離:Y、円錐定数:K、高次の係数:A、A、A、A、A、…、光軸方向のデプス:Xとして次の式1で表現される。
式1

Figure 2007248670
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 formula 1.
Formula 1
Figure 2007248670

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。
光軸位置を原点とする主走査方向の座標をYとすると、副走査断面内の曲率:C(Y)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:R(0)、B、B、B、…を係数として次の式2の通りである。
式2

Figure 2007248670
The “change in curvature in the sub-scanning section” is as follows.
Assuming that the coordinate in the main scanning direction with the optical axis position as the origin is Y, the expression expressing the state of curvature C s (Y) in the sub scanning section changes in the main scanning direction is the sub scanning section including the optical axis. The radius of curvature is: R s (0), B 1 , B 2 , B 3 ,...
Formula 2
Figure 2007248670

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

Figure 2007248670
Table 3 lists the coefficients of the incident side surface (special surface) of the scanning lens 6.
Table 3
Figure 2007248670

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

Figure 2007248670
Table 4 lists the coefficients of the exit side surface (special surface) of the scanning lens 6.
Table 4
Figure 2007248670

次に、第2の光学素子としてのアナモフィック光学素子4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について説明する。アナモフィック光学素子4は、樹脂製レンズであって、一方の面が平面基板に複数の直線状の溝が互いに平行に形成されることによって構成されたパワー回折面であり、反対側の面は平面である。   Next, an example in which the power diffractive surface which is a characteristic configuration of the present invention is adopted for the anamorphic optical element 4 as the second optical element will be described. The anamorphic optical element 4 is a resin lens, and one surface is a power diffractive surface formed by forming a plurality of linear grooves parallel to each other on a flat substrate, and the opposite surface is a flat surface. It is.

図2は、アナモフィック光学素子4の説明図で、(a)は正面図、(b)は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断面図、(c)は主走査方向と光軸方向とに平行な仮想的切断における断面図である。図2において、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)はアナモフィック光学素子4を光軸方向から見た状態を示している。アナモフィック光学素子4の一方の面は、図2(a)(b)に示すように、平面基板に複数の直線状の溝が互いに平行に形成されることによってパワー回折面が構成され、他方の面は、図2(a)(c)に示すように「平面」が形成されている。このように、アナモフィック光学素子4の片面は、平面基板に各々平行な複数の直線状の溝が形成されることによって構成されたパワー回折面であり、他方の面は平面からなるレンズになっている。パワー回折面のパワーは、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ている。   2A and 2B are explanatory views of the anamorphic optical element 4. FIG. 2A is a front view, FIG. 2B is a cross-sectional view of a virtual cut surface parallel to the sub-scanning direction and the optical axis direction, and FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view in a virtual cut parallel to the optical axis direction. In FIG. 2, the horizontal direction is the main scanning direction, and the vertical direction is the sub-scanning direction. FIG. 2A shows a state in which the anamorphic optical element 4 is viewed from the optical axis direction. As shown in FIGS. 2A and 2B, a power diffractive surface is formed on one surface of the anamorphic optical element 4 by forming a plurality of linear grooves parallel to each other on the flat substrate. As shown in FIGS. 2A and 2C, a “plane” is formed on the surface. Thus, one surface of the anamorphic optical element 4 is a power diffractive surface formed by forming a plurality of linear grooves parallel to the planar substrate, and the other surface is a flat lens. Yes. The power of 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 and temperature change in the semiconductor laser 1 is substantially zero.

図1に示す実施例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」
第1の光学素子としてのカップリングレンズ2は、ガラス製レンズであり、焦点距離:14.5mm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。
半導体レーザ1とカップリングレンズ2はともに、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の入射面は平面、射出面は回転対称非球面である。
「アパーチュア」
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:2.34mm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。
The specific configuration of each element constituting the optical system of the optical scanning device according to the embodiment shown in FIG. 1 is as follows.
"light source"
The semiconductor laser 1 which is a light source has a design emission wavelength of 785 nm, and when the temperature rises by 1 ° C. with respect to the standard temperature of 25 ° C., the emission wavelength shifts to the long wavelength side by 0.25 nm. The mode hop assumes a wavelength change of 0.8 nm as described above.
"Coupling lens"
The coupling lens 2 as the first optical element is a glass lens, and has a focal length of 14.5 mm and is arranged to have a function of converting into a weakly divergent light beam. The surface on one side of the coupling lens 2 is aspherical, and the wavefront aberration of the coupled light beam is sufficiently corrected by the aspherical surface.
Both the semiconductor laser 1 and the coupling lens 2 are fixedly held by a holding member made of a material having a linear expansion coefficient of 7.0 × 10 −5 . The incident surface of the coupling lens 2 is a plane, and the exit surface is a rotationally symmetric aspherical surface.
"Aperture"
The aperture 3 has a rectangular opening with an opening diameter of 2.76 mm in the main scanning direction and an opening diameter of 2.34 mm in the sub-scanning direction, and has a predetermined cross-sectional shape of the light beam coupled by the coupling lens 2. Shape to the shape of

「アナモフィック光学素子」
第2の光学素子としてのアナモフィック光学素子4は、入射側面が、平面基板に複数の直線状の溝が互いに平行に形成されることによって構成されたパワー回折面となっており、射出側面は平面になっている。入射面側のパワー回折面は、位相関数:win
in=C・Z
で表されるものである。係数:Cは、C=−1.3287×10−2である。
"Anamorphic optics"
In the anamorphic optical element 4 as the second optical element, the incident side surface is a power diffractive surface formed by forming a plurality of linear grooves parallel to each other on a flat substrate, and the exit side surface is a flat surface. It has become. Power diffractive surface of the incident surface side, the phase function: w in
w in = C z · Z 2
It is represented by Coefficient: C z is C z = −1.3287 × 10 −2 .

「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: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1において上下方向)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と、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とのなす角:θは68度である。
"Optical deflector"
The polygon mirror 5 as an optical deflector has six reflecting surfaces and an inscribed circle radius of 13 mm.
The soundproof glass G1 is made of the glass 1, has a thickness of 1.9 mm, and an inclination angle α in the y direction (vertical direction in FIG. 1) is 12 degrees. Further, an angle between the traveling direction of the light beam incident from the light source side and the traveling direction of the light beam reflected toward the position of the image height: 0 on the scanned surface 8 by the deflecting / reflecting surface of the polygon mirror 5: θ Is 68 degrees.

実施例における、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

Figure 2007248670
Table 6 shows beam waist position fluctuations in the main scanning direction and the sub-scanning direction in the embodiment.
Table 6
Figure 2007248670

これに対し、仮にアナモフィック光学素子4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

Figure 2007248670
これらの表からわかるとおり、アナモフィック光学素子4のパワー回折面の効果で、特に副走査方向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 diffraction surface is not employed in the anamorphic optical element 4, the beam waist position fluctuation is as shown in Table 7.
Table 7
Figure 2007248670
As can be seen from these tables, the effect of the power diffractive surface of the anamorphic optical element 4 reduces the fluctuation in the beam waist position particularly in the sub-scanning direction.

次に、上記実施例における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。実施例のアナモフィック光学素子4の入射面側に採用されている、平面基板に複数の直線状の溝が互いに平行に形成されることによって構成されたパワー回折面の上記溝間隔は、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。これに対して例えば2μm、4μm、6μmの加工誤差があるものとする。この加工誤差はアナモフィック光学素子4のパワーを大きく変動させ、このアナモフィック光学素子4を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、ビームスポット径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4を光軸方向に変移させれば吸収(低減)することができる。   Next, the case where the power diffraction surface in the above embodiment has a processing error will be considered. The groove spacing of the power diffractive surface formed by forming a plurality of linear grooves in parallel on the flat substrate, which is employed on the incident surface side of the anamorphic optical element 4 of the embodiment, is determined from the optical axis. Although gradually shortening as the distance increases, the groove interval is about 100 μm as a minimum value in this embodiment. On the other hand, for example, it is assumed that there are processing errors of 2 μm, 4 μm, and 6 μm. This processing error causes the power of the anamorphic optical element 4 to fluctuate greatly. If the anamorphic optical element 4 is mounted on the optical scanning device as it is, the condensing point of the light beam is greatly deviated from the surface to be scanned 8, and the beam spot diameter is reduced. It gets bigger. When such an optical scanning device is developed especially in a color optical printer or the like, color reproducibility deteriorates and gradation is lost. However, since the deviation of the condensing point of the light beam is substantially the same over the entire image height, it can be absorbed (reduced) by shifting the anamorphic optical element 4 in the optical axis direction.

図3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移動する。このような構成であれば、アナモフィック光学素子4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4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8上に結ばせることができる。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a mechanism for absorbing the focal point shift of the light beam. In FIG. 6, reference numeral 100 denotes an anamorphic optical element, and 101 denotes a holder for fixing the anamorphic optical element. The holder 101 is positioned by being pressed against an abutting reference pin 102 and a gear 103 provided on the housing by a biasing force of a spring (not shown). A rack-like gear is provided on the side surface of the holder 101 at a portion in contact with the gear 103, and the rack-like gear is engaged with the gear 103. Therefore, when the gear 103 is rotated, the holder 102 is moved along the optical axis direction accordingly. With such a configuration, it is possible to shift the anamorphic optical element 4 in the optical axis direction. Therefore, even if the power diffraction surface employed in the anamorphic optical element 4 has a processing error, it is desired. Can be formed on the scanned surface 8.

なお、この方式の前提として、アナモフィック光学素子4に加工誤差があっても、所望の回折効果が得られるものでなければならない。しかし、アナモフィック光学素子4のパワー回折面を構成する溝相互の間隔に例えば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4はそのことを示している。図4(a)(b)は、光学系の仕様が異なる場合について示しており、図4(a)(b)はともに上記溝の加工誤差が2μm、4μm、6μmである場合のグラフを示しているが、各グラフはほとんど重なっていて、1本に線のように見える。図4に示すグラフからわかるように、アナモフィック光学素子の雰囲気温度が、25℃から、10℃、45℃と変化した場合に、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 4 has a processing error. However, even if there is a processing error of 2 μm, 4 μm, 6 μm, for example, in the distance between the grooves constituting the power diffractive surface of the anamorphic optical element 4, a diffraction effect that is completely different from the design median can be expected. FIG. 4 illustrates this. 4 (a) and 4 (b) show cases where the specifications of the optical system are different, and FIGS. 4 (a) and 4 (b) show graphs when the processing errors of the grooves are 2 μm, 4 μm, and 6 μm, respectively. However, each graph almost overlaps and looks like a single line. As can be seen from the graph shown in FIG. 4, when the atmospheric temperature of the anamorphic optical element is changed from 25 ° C. to 10 ° C. and 45 ° C., it can be understood that the focal length variation of the anamorphic optical element is exactly the same.

図3は、メカニカルな機構によるアナモフィック光学素子の調整の例について示しているが、アナモフィック光学素子を光走査装置に固定する際にその位置を調整し、調整位置に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、以後、光走査装置の機能として不要な部品を光走査装置内に残さない点で有利である。また、この調整の際に、光軸周りの調整も行えば、アナモフィック光学素子の取り付け誤差によるビームスポット径の太りを低減した状態でアナモフィック光学素子を接着固定することにより、所定のビームスポット径を安定的に得ることが可能となる。   FIG. 3 shows an example of adjustment of the anamorphic optical element by a mechanical mechanism. However, a method of adjusting the position when fixing the anamorphic optical element to the optical scanning device and fixing the anamorphic optical element to the adjustment position with an adhesive is also possible. is there. This eliminates the adjustment mechanism and is advantageous in that no unnecessary parts are left in the optical scanning device as a function of the optical scanning device thereafter. In this adjustment, if the adjustment around the optical axis is also performed, the predetermined beam spot diameter can be set by bonding and fixing the anamorphic optical element in a state where the thickness of the beam spot diameter due to the attachment error of the anamorphic optical element is reduced. It becomes possible to obtain stably.

図5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5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. 5 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. 5, a conveying belt 32 that conveys transfer paper (not shown) fed from a paper feeding cassette 30 arranged in the horizontal direction in a substantially horizontal direction is provided at the lower part of the apparatus. On the upper surface side of the conveyance belt 32, a photosensitive member 7Y for yellow Y, a photosensitive member 7M for magenta M, a photosensitive member 7C for cyan C, and a photosensitive member 7K for black K are formed on the transfer paper by the conveying belt 32. They are arranged at equal intervals in the above order from the upstream side in the transport direction. Hereinafter, yellow, magenta, cyan, and black are distinguished by Y, M, C, and K added to the reference numerals. The photoreceptors 7Y, 7M, 7C, and 7K also function as image carriers, and are all formed to have the same diameter, and process members for executing an image forming process according to an electrophotographic process are sequentially disposed around the photoreceptors. . Taking the photoconductor 3Y as an example, a charging charger 40Y, an optical scanning device 50Y, a developing device 60Y, a transfer charger 30Y, a cleaning device 80Y, and the like are sequentially arranged in the clockwise direction that is the rotation direction of the photoconductor. The same applies to the other photoconductors 3M, 3C, and 3K. That is, this image forming apparatus uses the photoconductors 7Y, 7M, 7C, and 7K as the scanning surfaces set for the respective color components, and one optical scanning device 50Y, 50M, 50C, and 50K is provided for each. They are provided in a one-to-one correspondence.

上記光走査装置50Y、50M、50C、50Kは、それぞれが図1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 optical scanning devices 50Y, 50M, 50C, and 50K, optical scanning devices each having an optical arrangement as shown in FIG. 1 can be used independently. Further, for example, as conventionally known from Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-280056 and the like, the optical deflector (rotating polygonal mirror) is shared, and the lens 6-1 of the scanning optical system in each optical scanning device (FIG. 3) can be shared for optical scanning of the photoconductors 7M and 7Y, and can be shared for optical scanning of the photoconductors 7K and 7C.

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 conveyance belt 32, a registration roller 9 and a belt charging charger 10 are provided upstream of the photoreceptor 7Y in the transfer paper conveyance direction, and a belt separation charger is disposed downstream of the photoreceptor 7K. 11, a static elimination charger 12, a cleaning device 13, and the like are provided. A fixing device 14 is provided downstream of the belt separation charger 11 in the transport direction, and is connected to a paper discharge tray 15 by a paper discharge roller 16.

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 photoreceptors 7Y, 7M, 7C, and 7K that are uniformly charged by the charger. When the optical scanning is performed by the optical scanning devices 50Y, 50M, 50C, and 50K based on the image signals of the respective colors K, electrostatic latent images are formed on the surfaces of the respective photoreceptors. These electrostatic latent images are developed with a corresponding color toner supplied from a corresponding developing device, and become a toner image. The toner images of these colors are superimposed on the transfer paper that is electrostatically attracted and conveyed on the conveyance belt 32 to form a full color image, which is fixed by the fixing device 14 and then discharged. The paper is discharged onto the tray 15.

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、前述の実施例にかかる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、精細度の高い印字に適した画像形成装置を、コンパクトでかつ安価に実現することができる。   By using the optical scanning device according to the above-described embodiment 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, which is suitable for high-definition printing. The image forming apparatus 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.

本発明にかかる光走査装置の実施例を概略的に示す光学配置図である。It is an optical arrangement | positioning figure which shows schematically the Example of the optical scanning device concerning this invention. 上記実施例においてパワー回折面を採用したレンズの例を示す(a)は正面図、(b)副走査方向断面図、(c)は主走査方向断面図である。(A) which shows the example of the lens which employ | adopted the power diffractive surface in the said Example, (b) Subscanning direction sectional drawing, (c) is a main scanning direction sectional drawing. 本発明に適用可能な光ビームの集光点ずれを低減するための機構の例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the example of the mechanism for reducing the condensing point shift | offset | difference of the light beam applicable to this invention. アナモフィック光学素子に加工誤差がありかつ加工誤差が異なる場合の回折効果の違いを示すグラフである。It is a graph which shows the difference of the diffraction effect in case an anamorphic optical element has a processing error and a processing error differs. 本発明にかかる画像形成装置の実施例を示す正面図である。1 is a front view showing an embodiment of an image forming apparatus according to the present invention. パワー回折面に関して説明するための図で、(a)と(b)に示すパワー回折面が等価であることを示す光路図である。It is a figure for demonstrating regarding a power diffraction surface, and is an optical path diagram which shows that the power diffraction surface shown to (a) and (b) is equivalent.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Semiconductor laser as light source 2 Coupling lens which is 1st optical element 3 Aperture 4 Anamorphic optical element which is 2nd optical element 5 Polygon mirror as optical deflector 6 3rd optical element 7Y As image carrier Photoconductor 7M Photoconductor as image carrier 7CY Photoconductor as image carrier 7K Photoconductor as image carrier 8 Scanned surface

Claims (10)

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、
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、
樹脂製レンズの少なくとも1つは回折光学素子であり、
上記回折光学素子は、一方の面形状が平面基板に形成されたアナモフィックなパワー回折面であり、反対側の面形状が回転対称な面である光走査装置。
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 is a diffractive optical element,
The diffractive optical element is an optical scanning device in which one surface shape is an anamorphic power diffractive surface formed on a flat substrate, and the opposite surface shape is a rotationally symmetric surface.
請求項1記載の光走査装置において、回折光学素子の一方の面は平面基板に複数の平行な直線状の溝が形成されたパワー回折面であり、回折光学素子の反対側の面は平面である光走査装置。   2. The optical scanning device according to claim 1, wherein one surface of the diffractive optical element is a power diffractive surface in which a plurality of parallel linear grooves are formed on a flat substrate, and the opposite surface of the diffractive optical element is a flat surface. An optical scanning device. 請求項2記載の光走査装置において、回折光学素子は、第2の光学素子として採用されており、少なくとも副走査方向に正のパワーを有していて、光ビームを光偏向器の偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像させる機能を有している光走査装置。   3. The optical scanning device according to claim 2, wherein the diffractive optical element is employed as the second optical element, has a positive power at least in the sub-scanning direction, and transmits the light beam to the deflecting / reflecting surface of the optical deflector. An optical scanning device having a function of forming a long line image in the vicinity in the main scanning direction. 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、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とするように設定されている光走査装置。   4. The optical scanning device according to claim 1, wherein the power diffractive surface substantially eliminates fluctuations in the beam waist position in the main scanning direction and / or the sub-scanning direction due to mode hopping and temperature change in the semiconductor laser. An optical scanning device set to zero. 請求項1乃至4のいずれかに記載の光走査装置において、回折光学素子は、光軸方向に沿って調整可能である光走査装置。   5. The optical scanning device according to claim 1, wherein the diffractive optical element is adjustable along the optical axis direction. 請求項1乃至5のいずれかに記載の光走査装置において、回折光学素子は、光軸周りに調整可能である光走査装置。   6. The optical scanning device according to claim 1, wherein the diffractive optical element is adjustable around the optical axis. 請求項1乃至6のいずれかに記載の光走査装置において、第1、第2、第3の光学素子の全てが樹脂製レンズである光走査装置。   7. The optical scanning device according to claim 1, wherein all of the first, second, and third optical elements are resin lenses. 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、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ある光走査装置。   8. The optical scanning device according to claim 1, wherein the semiconductor laser is a semiconductor laser array having a plurality of light emitting units. 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乃至8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.
9. The image forming apparatus according to claim 1, wherein the optical scanning unit is the optical scanning device according to any one of claims 1 to 8.
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乃至8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 according to any one of claims 1 to 8, wherein the optical scanning unit 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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