JP2007293182A - 光走査装置、光書込み装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回折面による戻り光を減衰させ、また、不要次数の回折光や散乱光を有効に除去することができる光走査装置、光書込み装置、およびこれを用いることによって高画質の画像を形成することができる画像形成装置を得る。
【解決手段】光源部１より発せられた複数の光束を整形し光偏向器５へ導くための偏向器前側光学系と、光偏向器５により偏向された複数の光束を単一の被走査面８上に導き結像させる走査レンズ系６からなる。偏向器前側光学系は、複数の光束を副走査方向に集光する機能を有する樹脂製の線像形成レンズ４を有し、線像形成レンズ４は回折面を１面有し、この回折面は、線像形成レンズ４の第２面に設けられている。線像形成レンズ４の回折面の面形状は、回折部のパワーと屈折部のパワーとを相殺するように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置、光書込み装置および画像形成装置に関するもので、デジタル複写機、ファクシミリ、レーザプリンタなどに適用可能なものである。

光走査装置は、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関連して広く知られている。近年、画像形成装置の低価格化要求とともに、環境条件の変動による影響を受け難く、画質が良好で、安定度および精細の高い画像形成装置の実現が求められている。画像形成装置の重要な構成部分である光走査装置および光書込み装置にも、上記の要求を満たすことが求められる。

上記の要求を満たすためには、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ことが有効である。各種レンズを樹脂材料で形成することにより、以下のメリットがある。
（１）軽量である。
（２）低コストで成形が可能である。
（３）特殊な面形状の形成が容易である。
特殊な面形状の形成が容易であるというメリットを活かして、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ことができるとともに、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。特殊面の１形態として、屈折面形状を適切なピッチで折り返した形状の「回折面形状」がある。回折面は、レンズに屈折面以上のパワーを付加することができるため、レンズ枚数の低減に効果がある。

安定性の高い画像形成装置を構成するために、従来様々な方式の光走査装置が考え出されている。その主なものは、互いに逆のパワーをもつ複数枚のレンズを組み合わせるものや、回折面を用いたものなどである。特に、回折面を用いた方式は、樹脂材料の成形技術が高度に発達した背景もあり、少ない部品点数を以って、温度に対して安定度の高い光走査装置を実現することができる有効な方式である。

ただし、回折面を用いた方式には、特有の課題として、以下のようなものがある。
１．入射光束の波長のばらつきに対して敏感な光学系になってしまう。
２．回折面形状を持たない面に比べ、望まない散乱光・正反射光および不要な回折次数の光が発生しやすい。
上記１．の問題については、回折面形状の設計によりある程度回避可能であり、様々な発明が既に公開されている。しかし、２．の課題に関しては現実的な回折面が潜在的に起こしうる現象であって、上記２．のような課題に関する明確な解決策は提案されておらず、公知資料である後述の各特許文献でも言及されていない。

光走査装置に導入された回折面において、望まない散乱、正反射等が発生すると、散乱し、また反射された光の一部が「戻り光」として光源に向かって戻る。一般的な光源には、光量を検知して発光光量を調整する装置がついているため、上記のような「戻り光」は、上記発光光量調整装置にノイズとして混入する。そのため、光量調整が適正に行なわれていない光束が被走査面に照射されて画像形成が行われることになり、形成される画質を劣化させる原因となる。

回折面は、微細な「回折面形状」とすることによって機能する。回折面形状は、換言すれば微細なエッジの集合である。そのため、回折効率は外乱に対して極めて敏感であり、望まない回折光や散乱光、不要な反射光が発生しやすい。複数の発光点を持つ光源や複数の光源装置を具備した光走査装置においては、一方の発光点から発せられた光束が回折面で散乱・反射を受け、自らの発光点さらには他方の発光点に戻ることも起こりえる。

ここで、本願発明に関連のある公知技術を挙げておく。
その一つは、偏向器前側光学系において、回折面と屈折面を組み合わせることにより、温度変化によるピント位置変動を低減するものである（例えば、特許文献１参照）。しかし、特許文献１に記載されているような発明は、あとで述べるような本願発明の課題に対する対策は施されていない。また、特許文献１には、同一の感光体を複数ビームで走査するマルチビーム光走査については言及していない。

他の公知技術は、走査光学系によるピント位置の温度変化に伴う変動を回折部のパワー変化で補正するものである（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。しかし、特許文献２，３に記載されているような発明は、第１光学系を構成する光学素子の配置変化までは考慮していない。また、特許文献２，３では、同一の感光体を複数ビームで走査するマルチビーム光走査については言及していない。

回折面を用いることなく、偏向器の前側の光学系に少なくとも３枚のレンズを組み合わせることにより、温度変化によるピント位置変動を補正する方法も提案されている（例えば、特許文献４参照）。

さらに他の公知技術は、偏向器前側の光学系において、回折面と屈折面を組み合わせることにより、温度変化によるピント位置変動を低減するというものである（例えば、特許文献５参照）。このような技術を開示している特許文献５では、マルチビーム光走査についても言及しており、また、偏向器の前側に回折面を２面有するものが記載されている。

特開２００４−１２６１９２号公報 特開２００３−３３７２９５号公報 特開平１１−２２３７８３号公報 特開２００２−２１４５５６号公報 特開２００５−２５８３９２号公報 前述のとおり、各特許文献には、本発明が解決しようとする課題およびこれを解決するための手段に関する言及がない。

本発明は、前記従来技術の未解決の課題を解決することを目的とする。
具体的には、回折面による戻り光を減衰させることにより、戻り光を原因とする走査光量の不適正さを改善することができる光走査装置、光書込み装置、およびこれを用いることによって高画質の画像を形成することができる画像形成装置を提供することを目的とする。
本発明はまた、不要次数の回折光や散乱光を有効に除去することができる光走査装置、光書込み装置、およびこれを用いることによって高画質の画像を形成することができる画像形成装置を提供することを目的とする。
本発明はまた、回折面を持つ１枚のレンズに複数枚の屈折レンズの効果を持たせることができる光走査装置、光書込み装置、およびこれを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる光走査装置は、光源部より発せられた複数の光束を整形し光偏向器へ導くための偏向器前側光学系と、光偏向器により偏向された複数の光束を単一の被走査面上に導き結像させる走査レンズ系からなるマルチビーム光走査装置であって、偏向器前側光学系は、複数の光束を副走査方向に集光する機能を有する樹脂製の線像形成レンズを有し、この線像形成レンズは回折面を１面有し、この回折面は、線像形成レンズの第２面に設けられていることを特徴とする。

回折面が線像形成レンズの第１面である場合、回折面特有の散乱光等が発生し、この散乱光が戻り光として自らの光源に達する。あるいはマルチビーム光源である場合、一つの光源からの光束が回折面で回折され、その散乱光が他方の光源に達する。本願発明によれば、回折面を線像形成レンズの第２面に設けることによって、光源側の面は通常の屈折面となるため、戻り光による不具合を低減することができるメリットがある。この回折面を線像形成レンズの回折面を第２面に設けることによるメリットをより詳細に述べる。第２面の回折面で戻り光が発生した場合、戻り光はまず線像形成レンズを通るので、線像形成レンズ内で吸収されて減衰する。また、戻り光が線像形成レンズの第１面を出射するとき屈折を受けるため、そこでも若干のロスが生じる。以上の理由から、戻り光を回折光学素子の第２面で発生させることにより、戻り光を減衰させるという着想が本発明の主要な部分となっている。

回折面を第２面に設けることによって生じる副次的なメリットとして、回折面の有効径を低減できる点を挙げることができる。回折面は、軸外に向かうにつれその折り返しピッチは狭くなり、成形が困難になっていくため、なるべく有効径の小さな回折面にすることが有利である。線像形成レンズは正のパワーを有しているため、回折面が第２面であれば正パワー屈折面は第１面になる。光源側からの光束は線像形成レンズの第１面で集光されて第２面の回折面に入射するので、回折面の有効径は小さくて済むことになる。

本発明の光走査装置において、線像形成レンズの回折面の面形状は、回折部のパワーと屈折部のパワーとを相殺するように設定されていることが好ましい。回折部は、屈折部の面形状を適切な段差および適切なピッチで折り返した形状であり、屈折部と同じくパワーを有する。図３に示すように、面の形状とパワーは、回折面１３のものと屈折面１２のものを合わせたものになる。通常、レンズの周辺部に向かって上記ピッチは微細になるため、回折部の成形は困難になるが、回折部のパワーと屈折部のパワーが相殺するよう設定すると、図４に示すように回折部の折返し部分が鈍角となり、線像形成レンズを樹脂で成形する場合に有利となる。

本発明に採用する回折面の面形状は、マルチステップ型であることが好ましい。マルチステップ型は、上記折返し部分の角度が直角となり、光軸に対称な階段状の形状を指す。上記のように、回折部のパワーと屈折部のパワーとを相殺するように設定した形状の特殊な形状であり、成形上の簡便性がさらに向上する。光学的には、０次光と１次以降の回折光が同一であるため、ノンパワーの面と等価である。したがってこの形状は、成形上は最も有利であっても、パワーを持たない平行平板と等価となるので、戻り光に関しては不利と言える。しかし、前述の、線像形成レンズの第２面に回折面を設けてなる形態を前提とし、この回折面をマルチステップ型としているため、上記の問題が回避されている。すなわち、マルチステップ型とした回折面は、戻り光にも強く、成形も簡便であり、好ましい形態である。回折面が光学的にノンパワーと面と等価であることに関しては、偏心に対する光学性能の鈍感さも向上する、すなわち、偏心の影響を受けにくいというメリットもある。

本発明において採用する回折面は、発光部の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が好ましい。光走査装置において温度変動が起こると、光源の波長、光学素子の屈折率および曲率等が変化し、結像位置が理想的な結像位置からずれる。すなわち、ピント位置ずれが発生する。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。温度変化による発光波長の変化を「モードホップ」という。一方で、「回折部のパワーは入射波長に対して著しく依存する」という回折部特有の性質があるため、温度変動によるモードホップを利用して上記ピント位置ずれを略０とするように回折部の形状を設計することができる。発光部の温度変化に起因するビームウエスト位置の変動を略０とするように設定することは、光走査装置において回折面のより良好な効果を得るための一つの例である。

本発明に採用する回折面は、主走査方向および／または副走査方向に平行な直線状の溝形状よりなることが好ましい。回折部のパワーは、主走査方向および副走査方向に対して独立に設けることができる。このように、独立に設計した回折部を同一面に設けた場合、光軸に沿う方向から回折面を見ると、回折部の折返し部分は同心楕円状になる。しかし同心楕円状の回折面は成形が困難である。そこで上記のように、１つの面をある方向（主走査方向および／または副走査方向）に対してのみ回折部のパワーが作用する形状（平行な直線状の溝形状）とすることで、成形上有利となる。

直線状の溝形状が成形上有利な理由は以下の通りである。本発明の回折面は樹脂で成形されるため、回折面の形状は金型の切削により実現されるが、直線状の溝形状の場合は、図５（ａ）に示すように、切削用のバイトを一方向に走らせるだけで成形することができるとともに、バイトを逃がすのに何の問題も生じない。直線状でない例えば同心円、同心楕円の溝形状であると、円、楕円の軸を出す手間が生じる上に、バイトの逃げにも工夫が必要になる。また、前述の、回折面形状をマルチステップ型にすることによって得られる効果とも両立できる。すなわち、光軸に関して対称な階段状の形状であれば、図５（ａ）（ｂ）に示すように、バイトを当てる角度が略直角となるため、金型成形の簡便性はさらに向上する。

本発明における光源部は、複数の半導体レーザ素子で構成することができる。また、光源部を複数の発光点を持つ半導体レーザ素子にて構成することもできる。半導体レーザ素子が複数であると、光源個々に対応した調整が可能となり、発光点が複数あることで、光源数を減らすことができる。光源部を複数の半導体レーザ素子で構成することと、複数の発光点を持つ半導体レーザ素子にて構成することは両立できる。すなわち、複数の発光点を持つ半導体レーザ素子を複数用いて光源部を構成することも可能である。

本発明における光源部の半導体レーザ素子は、面発光型とすることができる。回折部は入射光束の波長変動に関して敏感である。回折部の効果はその特徴を用いたものである反面、望まない波長変動は光学性能を劣化させる。光源に半導体レーザを用いる際、面発光型は、端面発光型に比べモードホップが原理的に起こらない。そのため回折部の望まれる効果も若干小さくなる反面、上記回折部特有の問題も回避できる。面発光型の半導体レーザ素子として代表的なものにＶＣＳＥＬ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）がある。

不要次数の回折光や散乱光の除去は回折面に課された解決課題の１つである。特にマルチビーム光学系の場合、一方のビームで発生したゴースト光がもう一方の光源に入射するのを避ける必要があるため、上記課題を解決することは重要である。通常、偏向器前側光学系には、半導体レーザの発散角ばらつきにかかわらず、被走査面上で所望のビームスポット径を得るために、開口絞りが配備される。回折面で発生する不要次数の回折光や散乱光の一部は前記開口絞りで除去することができるが、それでは不十分である。上記第偏向器前側光学系が、光軸方向について異なる複数の位置に遮光部材を具備することにより、不要次数の回折光や散乱光を除去することができ、良好な画像を得るのに必要な光走査装置を提供することができる。さらに、主走査方向及び／または副走査方向において、開口絞り以外の少なくとも１つの遮光部材を通過するときのビームの幅を、開口絞りを通過するときよりも狭くすることにより、不要次数の回折光や散乱光を効果的に除去することができる。
なお、開口絞りを光束幅がせまくなる位置に配備するという方法もある。しかし、開口絞りを光束幅が狭くなる位置に配備すると、開口幅の加工誤差によるビームスポット変化量が大きくなってしまい、課題を解決するのに適した構成とはいえない。図６は、以上説明した開口絞りおよび遮光部材の配置例を示す副走査方向の断面図であるが、主走査方向についても全く同様の考え方が成立する。

先述の通り、回折面は、屈折面に対して別途パワーを付加することができるので、回折面を持つ１枚のレンズに、複数枚の屈折レンズの効果を持たせることができる。また、屈折面で所望のパワーを１枚のレンズに与えるとともに、前述の、発光部における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、という回折面の機能を付与し、温度変動に対する安定性の向上を図ることもできる。例えば、偏向器前側光学系は、パワーを持つ光学素子が線像形成レンズであってそれ以外はパワーをもたない構成とすることができる。これにより、光偏向器前側光学系を単一のレンズで構成することができるため、部品点数を低減することができる。光走査装置を複数用いてカラー画像形成装置を構成する場合、上記のような部品点数低減効果はさらに大きなものとなる。

本発明の光走査装置を複数用いて、光書込み装置を構成することにより、複数の被走査面に対して書込みを行うことができる。光書込み装置は、これまで説明してきた各種構成の光走査装置の中から任意のものを選択して採用することができ、複数の光走査装置に関して光偏向器を共通とすることができる。これにより光書込み装置の中でも比較的高価な光偏向器の点数を減らすことができ、コストダウンを実現できる。光偏向器は光走査装置における最大の発熱源であるため、各光走査装置の温度安定化の点でも有利である。また、温度変動による半導体レーザの望まないモードホップも低減できるため、回折面を導入した光走査装置に対しても有利な構成となる。

光偏向器を複数のレーザビームに対して共通とした光書込み装置の構成としては、各光走査装置の光束が光偏向器の回転軸を含む副走査断面に対して略対称に入射する方式（「対向走査方式」）や、各光走査装置の光束が光偏向器の同一な反射面によって偏向される方式（「片側走査方式」）などがある。図７には、２段の光偏向器を用いた場合の対向走査方式の例を模式的に示してある。

さらに、上記走査方式は光偏向器の反射面の法線に対し平行に光束が入射し偏向される形態に限られない。本発明は、光偏向器の反射面の法線に対し角度を持って光束が入射する場合にも適用することができる。本明細書ではこの方式を斜め入射方式と呼ぶ。図８には対向走査の斜め入射方式光書込み装置の例が模式的に示されている。斜め入射方式のメリットとして、１段の光偏向器で４色の画像の書込が可能であるため、光書込み装置を構成する際のコストを低減することができる。斜め入射方式を適用する場合には、走査線の曲がりと波面収差の劣化が避けられない課題として発生するため、走査レンズの面形状を、斜め入射する光束に対応したものとする必要があるが、本発明の効果はそのまま活用することができ、前述の本発明の主要な構成と組み合わせることで低コスト化を図ることができる。

また、本発明にかかる画像形成装置は、感光性の像担持体に対して光走査装置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装置であって、光走査装置として、これまで説明してきた光走査装置の任意の一つを採用したものである。
また、本発明にかかる画像形成装置は、複数の感光性の像担持体に対して光走査装置による光走査を行って各色に対応する潜像を形成し、この潜像を現像手段で可視化してカラー画像を得る画像形成装置であって、光走査装置として、これまで説明してきた光走査装置の任意の一つを採用したものである。
また、本発明にかかる画像形成装置は、感光性の像担持体に対して光書込みを行う装置として、これまで説明してきた光走査装置を具備した光書込み装置を採用したことを特徴とするものである。

本発明にかかる光走査装置およびこれを用いた画像形成装置について若干説明を補足する。
感光性の像担持体としては種々のものを使用可能である。例えば、像担持体として銀塩フィルムを用いることができる。この場合、光走査による書込みで潜像が形成されるが、この潜像は通常の銀塩写真プロセスによる処理で可視化することができる。このような画像形成装置は、光製版装置や、ＣＴスキャン画像等を描画する光描画装置として利用することができる。
感光性の像担持体としてはまた、光走査の際に光スポットの熱エネルギにより発色する発色媒体（ポジの印画紙）を用いることもできる。この場合には、光走査により直接可視画像を形成することができる。

感光性の像担持体としてはまた、光導電性の感光体を用いることができる。光導電性の感光体としては、酸化亜鉛紙のようにシート状のものを用いることもできるし、セレン感光体や有機光半導体等からなるドラム状あるいはベルト状で繰り返し使用されるものを用いることができる。光導電性の感光体を像担持体として用いる場合には、以下に述べる電子写真プロセスによって画像を形成することができる。すなわち、感光体の均一帯電と、光走査装置による光走査により静電潜像が形成され、静電潜像は現像によりトナー画像として可視化される。トナー画像は、感光体が酸化亜鉛紙のようにシート状のものである場合は感光体上に直接的に定着され、感光体が繰り返し使用可能なものである場合には、転写紙やＯＨＰシート（オーバヘッドプロジェクタ用のプラスチックシート）等のシート状記録媒体に転写・定着される。

光導電性の感光体からシート状記録媒体へのトナー画像の転写は、感光体からシート状記録媒体へ直接的に転写しても良いし（直接転写方式）、感光体から一旦中間転写ベルト等の中間転写媒体に転写した後、この中間転写媒体からシート状記録媒体へ転写するようにしてもよい（中間転写方式）。このような画像形成装置は、光プリンタや光プロッタ、デジタル複写装置等として実施できる。
また、本発明にかかる画像形成装置は、上記感光体を複数個、シート状記録媒体の搬送路に沿って配置し、複数の光走査装置を用いて感光体ごとに静電潜像を形成し、これらを可視化して得られるトナー画像を同一のシート状記録媒体に転写・定着して合成的にカラー画像や多色画像を得るタンデム式の画像形成装置として実施することができる。

本発明によれば、偏向器前側光学系は、複数の光束を副走査方向に集光する機能を有する樹脂製の線像形成レンズを有し、この線像形成レンズは回折面を１面有し、この回折面は、線像形成レンズの第２面に設けられているため、光走査装置を構成するのに必要な部品点数を低減すると同時に、温度変動など環境条件変動の影響を受けにくく、精度の高い光走査を安定に行うことができる光走査装置を得ることができる。そのため、光走査装置を生産するための材料使用量を削減することができ、資源採掘量・プラスチックごみ排出量に関して環境負荷の低減につながるものである。

以下、本発明にかかる光走査装置、光書込み装置および画像形成装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明にかかる光走査装置の実施例全体を示している。半導体レーザからなる光源１から放射された複数の光束はカップリングレンズ２により以後の光学系にカップリングされる。本実施例の説明では、説明を簡単にするため、光源が単一の発光点をもつものとしているが、複数の発光点をもつ光源の場合でも本発明の作用効果は同様に得られる。カップリングレンズ２を透過した光束は、アパーチャ３の開口部を通過することによって、光束周辺部が遮断されて横断面形状が整形され、線像結像光学系である線像形成レンズ４に入射する。線像形成レンズ４は、主走査方向にはパワーがなく、副走査方向には正のパワーを持つように向きを決めて配置され、入射してくる光束を副走査方向にのみ集束させ、光偏向器であるポリゴンミラー５の偏向反射面近傍に、主走査方向に長い線像として集光させるように構成されている。線像形成レンズ４は射出面（第２面）に回折面を持っている。

上記偏向反射面により反射された光束は、ポリゴンミラー５の等速回転に伴い等角速度的に偏向しつつ、走査光学系をなす結像走査レンズ６を透過し、光束を被走査面に導光するための折り曲げミラー７により光路を折曲げられ、被走査面の実体をなす光導電性の感光体８上に光スポットとして集光し、被走査面を光走査する。図１では、走査光学系は結像走査レンズ６のみの１枚構成としているが、結像走査レンズを複数枚用いた構成であっても本発明の効果は同様に得られる。偏向光束は感光体８を光走査するごとに、光走査に先立って同期ミラー９により反射され、この反射光は同期レンズ１０により同期検知部１１に主走査方向に集光される。同期検知部１１は上記反射光を受光することによって検知信号を出力し、この出力に基づき、光走査の書込み開始タイミングが決定される。

なお、この明細書中に言う「光スポットのスポット径」は、被走査面上の光スポットにおける光強度分布のラインスプレッド関数における１／ｅ２強度で定義される。「ラインスプレッド関数」は、以下のように定義される。被走査面上に形成された光スポットの中心座標を基準として主走査方向および副走査方向の座標：Ｙ、Ｚにより光スポットの光強度分布：ｆ（Ｙ、Ｚ）を定めたとき、Ｚ方向のラインスプレッド関数：ＬＳＺは
ＬＳＺ（Ｚ）＝∫ｆ（Ｙ、Ｚ）ｄＹ （積分はＹ方向における光スポットの全幅について行う）
で定義され、Ｙ方向のラインスプレッド関数：ＬＳＹは、
ＬＳＹ（Ｙ）＝∫ｆ（Ｙ、Ｚ）ｄＺ （積分はＺ方向における光スポットの全幅について行う）
で定義される。
これらラインスプレッド関数：ＬＳＺ（Ｚ）、ＬＳＹ（Ｙ）は、通常、略ガウス分布型の形状であり、Ｙ方向およびＺ方向のスポット径は、これらラインスプレッド関数：ＬＳＺ（Ｚ）、ＬＳＹ（Ｙ）が、その最大値の１／ｅ２以上となる領域のＹ、Ｚ方向幅で与えられる。ラインスプレッド関数により上記の如く定義されるスポット径は、光スポットをスリットで等速光走査し、スリットを通った光を光検出器で受光し、受光量を積分することにより容易に測定可能であり、このような測定を行う装置も市販されている。

実施例１において用いるガラス材料（「ガラス１」と称する。）および樹脂材料（「樹脂２」と称する。）のデータは表１に示す材質データのとおりである。

表１に示す材質データにおいて、「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。

また、表２の光偏向器以降の光学系データに、実施例１における光偏向器以降の光学系データを与える。

上の表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Ｄｘ、Ｄｙについてみると、光偏向器であるポリゴンミラー５の回転軸から見て、第１走査結像レンズ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２の左右方向）に４３．３ｍｍ離れ、主走査方向（Ｙ方向、図２の上下方向）に２．９ｍｍ離れている。なお、第２走査結像レンズ７と被走査面の間には、図２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１４が配置される。第１走査結像レンズ６，第２走査結像レンズ７の各面は非球面であり、全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。

「非円弧形状」
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。

「副走査断面における曲率の変化」
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。

第１走査結像レンズ６の入射側面（特殊面）の係数を表３に挙げる。

第１走査結像レンズ６の射出側面（特殊面）の係数を表４に挙げる。

第２走査結像レンズ７の入射側面（特殊面）の係数を表５に挙げる。

第２走査結像レンズ７の射出側面（特殊面）の係数を表６に挙げる。

光学系の各構成要素の具体的構成は以下のとおりである。なお、偏向器前側光学系を構成する光学素子の配置は、全光学系の主走査／副走査方向の結像位置が被走査面近傍になるように適切に配置している。

「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０．２０ｎｍ、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。ここでは、それぞれ１つの発光点を有する半導体レーザを２つ配備しているが、もちろん半導体レーザアレイであっても良いし、ＶＣＳＥＬであってもかまわない。

「カップリングレンズ」
カップリングレンズ２は、上述したようなガラス製レンズであり、焦点距離：１５ｍｍで、光源からの光束を略平行の光束に変換する機能を有するように配置される。カップリングレンズ２は両面とも非球面が用いられ、非球面係数は開示しないが、カップリングされた光束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、線膨張係数：２．３×１０−５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の材質はガラス製であり、表１の材質データに記載されている屈折率となる。

「アパーチャ」
アパーチャ３は、主走査方向の開口径：５．４ｍｍ、副走査方向の開口径：２．２８ｍｍ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束を整形する。このとき、図６に示すように、光源１とカップリングレンズ２の間とアナモフィック光学素子４と偏向手段の間にそれぞれ遮光部材を配備する。これらの遮光部材がアパーチャ３である。

「線像形成レンズ」
線像形成レンズ４は、入射側面が「副走査方向にのみパワーを有するシリンドリカル面」で、射出側面は「回折溝が楕円状となる階段状回折面」となっている。入射面の副走査方向の曲率半径は６３．４ｍｍである。出射面は回折面であり、回折面の散乱光・反射光・不要次数の回折光が光源に戻らないようになっている。回折面の位相関数φ（ｙ，ｚ）は、下式で表される。
φ（ｙ，ｚ）＝Ｃ１・Ｙ２＋Ｃ２・Ｚ２
Ｃ１＝−０．０００６１９９，Ｃ２＝−０．００７５３７
この回折面は主走査方向曲率半径が４２５．４ｍｍ，副走査方向曲率半径が３５ｍｍのトロイダル面上に形成され、第２面に「回折溝が楕円状となる階段状回折面」となる面が形成されている。このとき、主走査、副走査方向ともＰ１＝−Ｐ２（Ｐ１：屈折部の持つパワー、Ｐ２：回折部の持つパワー）となり、図４に示すように、出来上がった回折面は階段形状、すなわちマルチステップ型になる。つまり、第２面のパワーは主走査、副走査ともノンパワーとなる。もしこの回折面が入射面側であるとすると、回折部は光軸に対し垂直な面を有することになるので、入射する光束回折部で強い反射を起こし、それが逆向きの光路を辿って半導体レーザに戻り、干渉を誘発してしまう。あるいは、他方の半導体レーザに入り込み干渉を誘発する。このことから階段形状の回折面は射出面側に設定するのが好ましいのである。

「光偏向器」
光偏向器であるポリゴンミラー５は、反射面数：４面で、内接円半径：７ｍｍのものである。

防音ガラス１５は、「ガラス１」を材質とし、厚さ：１．９ｍｍで、上記ｙ方向（図２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束の進行方向と、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束の進行方向」のなす角：θは６０．５５度である。

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７のようになっている。

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。

実施例２において用いるガラス材料（「ガラス２」と称する。）および樹脂材料（「樹脂２」と称する。）のデータは、表８に示す材質データ（波長７８０ｎｍ）のとおりである。書式は実施例１のものに準ずる。

実施例２における光偏向器以降の光学系データとして、表９に示す光学系データを与える。実施例２の光学系は、光束が副走査断面内において３．３°の角度を持って光偏向器に入射する斜め入射方式である。光偏向器により偏向された複数の光束は、主走査断面に対して角度を持って共通の第１走査結像レンズに入射し、各光束の光路を副走査方向の光軸としてもつ第２走査結像レンズにより被走査面上に結像する。すなわち第２走査結像レンズは主走査断面に対しては角度を持った副走査方向の光軸を有していることになる。なお、図２に示すように、走査結像レンズは、第１走査結像レンズ６と第２走査結像レンズ６´からなり、第２走査結像レンズ６´と被走査面８の間には、「ガラス２」を材質とする厚さ：１．９ｍｍの防塵ガラス１４が配置されている。

＊：Ｘ，Ｚの括弧内の値は、第２走査結像レンズＴｉｌｔ前の値である。

「特殊チルト偏心面」
第２走査結像レンズ６´の射出面は、副走査方向に曲率を持たず、主走査方向に沿ってその副走査断面内のチルト角を変化させる、「式３」で表されるような面形状である。本明細書においてはその面形状を上記「特殊面」の特別な場合として「特殊チルト偏心面」と呼ぶ。斜め入射方式で良好な結像を行う場合の手段の１つとして特殊チルト偏心面の導入がある。

第１走査結像レンズ６の入射側面の係数を表１０に挙げる。

第１走査結像レンズ６の射出側面の係数を表１１に挙げる。

第２走査結像レンズ７の入射側面の係数を表１２に挙げる。

第２走査結像レンズ６´の射出側面の係数を表１３に挙げる。

光学系の各要素の具体的な構成は以下のとおりである。なお、偏向器前側光学系を構成する光学素子の配置は、全光学系の主走査方向および／または副走査方向の結像位置が被走査面近傍になるように適切に配置している。

「光源」
光源である半導体レーザ１は設計上の発光波長：７８０ｎｍ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。ここでは、それぞれ１つの発光点を有する半導体レーザを２つ配備しているが、もちろん半導体レーザアレイであっても良いし、ＶＣＳＥＬであってもかまわない。

「カップリングレンズ」
カップリングレンズ２は、実施例２においては存在せず、その機能は線像形成レンズ４に一体化されている。

「アパーチャ」
アパーチャ３は、主走査方向の開口径：５．０ｍｍ、副走査方向の開口径：１．１２ｍｍの「長方形形状の開口」を有し、光源より射出される発散された光束を整形し、線像形成レンズへ導く。

「線像形成レンズ」
線像形成レンズ４は、入射側面がアナモフィックな凸面で、射出側面は「回折溝が楕円状となる階段状回折面」となっている。回折面を射出面に設けることにより、回折面の散乱光・反射光・不要次数の回折光が光源に戻らないようになっている。

入射面の曲率半径は主走査方向：４５．８ｍｍ、副走査方向２８．２ｍｍである。回折面の位相関数φ（ｙ，ｚ）は、下式で表される。
φ（ｙ，ｚ）＝Ｃ１・Ｙ２＋Ｃ２・Ｚ２
Ｃ１＝−０．００１７８２１８，Ｃ２＝−０．０３２３４３２７２
この回折面は主走査曲率半径が１４７ｍｍ、副走査曲率半径が８．１ｍｍのアナモフィックな凹面上に設けられ、「回折溝が楕円状となる階段状回折面」となる面を形成している。主走査、副走査方向ともＰ１＝−Ｐ２（Ｐ１：屈折部の持つパワー、Ｐ２：回折部の持つパワー）となり、出来上がった回折面は階段形状即ちマルチステップ型になる。つまり、第２面のパワーは主走査、副走査ともノンパワーとなる。もしこの回折面が入射面側であるとすれば、回折部は光軸に対し垂直な面を有することになるので、入射する光束回折部で強い反射を起こし、それが逆光路を辿って半導体レーザに戻り、干渉を誘発してしまう。あるいは、他方の半導体レーザに入り込み干渉を誘発する。このことから階段形状の回折面は射出面側に設定するのが好ましいのである。

「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１５は「ガラス１」を材質とし、厚さ：１．９ｍｍで、上記ｙ方向（図２の上下方向）からの傾き角：αは８度である。また、光源側から入射する光束の進行方向と、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束の進行方向」のなす角：θは６０度である。

実施例２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１４のようになっている。

光偏向器前側の単一のレンズに設けられた回折面の効果で、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。

以上説明した光走査装置を用いた光書込み装置の実施例を、図７、図８に示す。図７に示す光書込み装置の例は、４つのレーザビームを共通の光偏向器であるポリゴンミラー５で偏向走査し、４つのレーザビームに対応して配置された４つの走査結像レンズ６によってそれぞれ被走査面８であるドラム状感光体の表面にレーザビームを収束させかつ走査させることにより、被走査面８に画像を書き込むようにしたものである。ポリゴンミラー５は偏向反射面が回転軸方向に２段にわたって形成されていて、各段の偏向反射面は二つの光源からのレーザビームを左右に振り分けて偏向反射させるようになっている。上記各段の偏向反射面を挟んで左右に合計４個の走査結像レンズ６が配置され、上記４つのレーザビームが各走査結像レンズ６を透過するように構成されている。図７において符号７は、偏向されかつ走査結像レンズ６を透過したそれぞれのレーザビームの進行方向を曲げてそれぞれに対応する被走査面８に導くためのミラーを示している。

図８は、本発明に係る光走査装置を用いた光書込み装置の別の例を示すもので、走査結像レンズ６を、第１走査結像レンズと第２走査結像レンズに分け、第１走査結像レンズは２つのレーザビームに兼用として光偏向器であるポリゴンミラー５を挟み両側にそれぞれ１個ずつ、計２個配置し、第２走査結像レンズは４つのレーザビームに対応して４個配置したものである。符号７は、第１走査結像レンズ６を透過しさらには第２走査レンズを透過した各レーザビームの進行方向を曲げてそれぞれに対応する被走査面８に導くためのミラーを示している。

図７、図８に示す光書き込み装置は、前述の各実施例にかかる光走査装置のいずれか一つを採用しているため、不要次数の回折光や散乱光を有効に除去することができ、また、温度変動などの影響を受けにくく、高精度の光書込みを安定に行うことができる。

図９に、本発明にかかる画像形成装置の実施の１形態を示す。この画像形成装置は、感光性の像担持体１１１０を中心にして、帯電、露光、現像、転写、定着、クリーニングという一連の電子写真プロセスを実行することにより画像を形成するレーザプリンタの例である。レーザプリンタ１０００は感光性の像担持体１１１０として円筒状に形成された光導電性の感光体を有している。像担持体１１１０の周囲には、帯電手段としての帯電ローラ１１２１、現像装置１１３１、転写ローラ１１４１、クリーニング装置１１５１が配備されている。帯電手段としては「コロナチャージャ」を用いることもできる。画像形成装置１０００内には、レーザ光束ＬＢにより光走査を行う光走査装置１１７１が設けられ、帯電ローラ１１２１と現像装置１１３１との間で光書込みによる露光を行うようになっている。

図９において、符号１１６１は定着装置、符号１１８１は給紙カセット、符号１１９１はレジストローラ対、符号１２０１は給紙コロ、符号１２１１は搬送路、符号１２２１は排紙ローラ対、符号１２３１は排紙トレイ、符号Pはシート状記録媒体としての転写紙をそれぞれ示している。

画像形成を行うときは、光導電性の感光体である像担持体１１１０が時計回りに等速回転され、その表面が帯電ローラ１１２１により均一帯電され、光走査装置１１７１でレーザ光束ＬＢを用いた光書込みによる露光を受けて静電潜像が形成される。形成された静電潜像は所謂「ネガ潜像」であって画像部が露光されている。この静電潜像は現像装置１１３１により反転現像され、像担持体１１１０上にトナー画像が形成される。転写紙Ｐを収納したカセット１１８１は、画像形成装置１０００本体に脱着可能であり、図のごとく装着された状態において、収納された転写紙Ｐの最上位の１枚が給紙コロ１２０１により給紙され、給紙された転写紙Ｐは、その先端部をレジストローラ対１１９１にくわえられる。レジストローラ対１１９１は、像担持体１１１０上のトナー画像が転写位置へ移動するのにタイミングを合わせて、転写紙Ｐを転写部へ送り込む。送り込まれた転写紙Ｐは、転写部においてトナー画像と重ね合わせられ、転写ローラ１１４１の作用により上記トナー画像が静電転写される。トナー画像を転写された転写紙Ｐは定着装置１１６１へ送られ、定着装置１１６１においてトナー画像を定着され、搬送路１２１１を通り、排紙ローラ対１２２１によりトレイ１２３１上に排出される。トナー画像が転写された後の像担持体１１１０の表面は、クリーニング装置１１５１によりクリーニングされ、残留トナーや紙粉等が除去される。

図１０は、本発明に係る画像形成装置の別の例を概略的に示すもので、多色画像ないしはカラー画像を形成可能な画像形成装置の実施形態を示す。図１０に付した符号は、それぞれ以下の意味ないしは部材を示している。
Ｙ：イエロー
Ｍ：マゼンタ
Ｃ：シアン
Ｋ：ブラック
これらＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋは、それぞれイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの色成分に対応していることを意味している。
１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋ：Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋに対応した感光体
２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋ：Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋに対応した帯電器
２０：書き込みユニット
４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋ：Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋに対応した現像器
５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋ：Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋに対応したクリーニング手段
６Ｙ，６Ｍ，６Ｃ，６Ｋ：Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋに対応した転写用帯電手段
８０：転写ベルト
３０：定着手段

図１０において、ドラム状の４つの感光体１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは回転中心軸を平行にして等間隔に配置されている。感光体１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは図１０において時計方向に回転駆動されるようになっていて、各感光体１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋの周囲には、回転方向に順に帯電器２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋ、現像器４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋ、転写用帯電手段６Ｙ，６Ｍ，６Ｃ，６Ｋ、クリーニング手段５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋが配備されている。帯電部材２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋは、感光体表面を均一に帯電するための帯電装置を構成する帯電部材である。この帯電部材と現像部材４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋの間の感光体表面に、本発明にかかる光走査装置を有してなる光書込み装置２０によりビームが照射され、各感光体１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋの表面にそれぞれの色に対応した画像の静電潜像が形成されるようになっている。各感光体表面の静電潜像は、現像器４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋによりそれぞれの色に対応したトナーで現像され、各感光体面上にトナー像が形成される。各感光体１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋにまたがってそれらの下方に転写ベルト８０が配置され、転写用帯電手段６Ｙ，６Ｍ，６Ｃ，６Ｋにより、転写ベルト８０に各色のトナー像が順次重ねて転写され、カラー像が形成される。このカラー像は図示されない転写紙に転写され、最終的に定着手段３０により記録試に画像が定着される。

以上説明した本発明にかかる画像形成装置によれば、光走査装置、光書込み装置として、前述の本発明にかかる光走査装置、光書込み装置を用いることにより、不要次数の回折光や散乱光を有効に除去することができ、また、温度変動などの影響を受けにくく、高精度の光書込みを安定に行うことができ、極めて良好な画像を形成することができる。

本発明にかかる光走査装置の実施の１形態を示す斜視図である。 本発明にかかる光走査装置の他の実施形態を主走査対応方向から示す光学配置図である。 光学素子における屈折部および回折部の一般的形状を説明するためのモデル図である。 光学素子における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した場合の回折面形状の例を示すモデル図である。 回折面を形成するための金型成形の各種例を模式的に示す斜視図である。 光走査装置の偏向器前側光学系におけるアパーチャの配置例を模式的に示した副走査断面内の光学配置図である。 水平入射の対向走査方式光書込み装置の例を示す光学配置図である。 斜め入射の対向走査方式光書込み装置の例を示す光学配置図である。 画像形成装置の実施の１形態を示す正面図である。 多色画像形成が可能な画像形成装置の実施形態を示す正面図である。

符号の説明

１ 光源
２ カップリングレンズ
３ アパーチャ
４ 線像形成レンズ
５ 光偏向器としてのポリゴンミラー
６ 走査結像レンズ
７ ミラー
８ 被走査面
９ 同期ミラー
１０ 同期レンズ
１１ 同期検知部
１２ 一般的な屈折面の形状
１３ 一般的な回折面の形状
１４ 防塵ガラス
１５ 防音ガラス

Claims (16)

1. 光源部より発せられた複数の光束を整形し光偏向器へ導くための偏向器前側光学系と、
   光偏向器により偏向された複数の光束を単一の被走査面上に導き結像させる走査レンズ系を有してなるマルチビーム光走査装置であって、
   上記偏向器前側光学系は、複数の光束を副走査方向に集光する機能を有する樹脂製の線像形成レンズを有し、
   上記線像形成レンズは回折面を１面有し、
   上記回折面は、線像形成レンズの第２面に設けられていることを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１記載の光走査装置において、回折面の面形状は、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。
3. 請求項または２記載の光走査装置において、回折面の面形状は、マルチステップ型である光走査装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の光走査装置において、回折面は、発光部における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。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の光走査装置において、回折面は、主走査方向および／または副走査方向に平行な直線状の溝形状よりなる光走査装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の光走査装置において、光源部は、複数の半導体レーザ素子にて構成されている光走査装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の光走査装置において、光源部は、複数の発光点を持つ半導体レーザ素子にて構成されている光走査装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の光走査装置において、光源部は半導体レーザ素子よりなり、この半導体レーザ素子は面発光型である光走査装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の光走査装置において、偏向器前側光学系は光軸方向について異なる複数の位置に遮光部材を具備する光走査装置。
10. 請求項９記載の光走査装置において、複数の遮光部材のうち少なくとも1つは被走査面でのビーム径を設定するための開口絞りであり、主走査方向および／または副走査方向において、開口絞り以外の少なくとも１つの遮光部材を通過するときのビームの幅は開口絞りを通過するときよりも狭くなる光走査装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の光走査装置において、偏向器前側光学系は、パワーを持つ光学素子が線像形成レンズであってそれ以外はパワーをもたない光走査装置。
12. 光走査によって被走査面に画像を書き込む光書込み装置であって、請求項１ないし１１のいずれかに記載の光走査装置を複数用いて構成され、複数の被走査面に対して画像を書き込む光書込み装置。
13. 請求項１２に記載の光書込み装置において、光書込み装置が有する複数の光走査装置に含まれる光偏向器が共通である光書込み装置。
14. 感光性の像担持体に対して光走査装置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装置において、上記光走査装置として請求項１ないし１１のいずれかに記載の光走査装置を用いた画像形成装置。
15. 複数の感光性の像担持体に対して光走査装置による光走査を行って各色に対応する潜像を形成し、この潜像を現像手段で可視化してカラー画像を得る画像形成装置において、像担持体の光走査を行う請求項１ないし１１のいずれかに記載の光走査装置を用いた画像形成装置。
16. 感光性の像担持体に対して光書込み装置による光書込みを行うことによって潜像を形成し、この潜像を現像手段で可視化して画像を得る画像形成装置において、光書込み装置として請求項１２または１３記載の光書込み装置を用いた画像形成装置。

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