JP2008276196A - 走査光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】全体の小型化を維持しつつも、各光学部材の配置誤差に対する許容度を緩め、良好な光学性能を有することができる走査光学系を提供すること。
【解決手段】走査光学系は、光源から照射されたレーザー光を偏向器によって偏向することにより、該レーザー光を被走査面上で走査する走査光学系において、光源から順に、カップリングレンズ群、偏向器、ｆθレンズ群、を有し、上記カップリングレンズ群やｆθレンズ群等が所定の条件を満たすように構成にした。
【選択図】図１

Description

この発明は、画像形成装置等に搭載される走査光学系に関する。

従来の走査光学系は、概ね以下のように構成される。光源から照射されたレーザー光をコリメートレンズで平行光に変換した後、偏向器に入射させる。そして、偏向器で偏向された後、ｆθレンズ群を介して等速性を担保しつつ、被走査面上を所定の方向に走査する。従来の走査光学系では、ポリゴンミラーを偏向器として使用されることが多い。近年、画像形成装置等を小型化したいという要請に応じるべく、走査光学系も小型化する必要がでてきた。そこで、近年、特許文献１に例示されるように、小型化することが可能な走査光学系が提案されている。

なお、以下の説明では、偏向器によって偏向されたレーザー光が被走査面上を走査する方向を主走査方向という。また、走査光学系の光軸に沿う方向と主走査方向に直交する方向を副走査方向という。被走査面以外の部位の説明時に使用する各方向は、すべて被走査面での方向を基準とする。

特開平１０−２３２３４７号公報

特許文献１に記載の走査光学系は、コリメートレンズの代替として集光レンズを用いて、光源から照射されたレーザー光を平行光ではなく主走査方向に収束した収束光に変換している。これにより、焦点距離を維持してポリゴンミラーの振れ角に対する走査量を殆ど減らすことなく、走査光学系のバックフォーカスを短くしている。その結果、ポリゴンミラーと被走査面間に配設されるｆθレンズ群に要求される画角が抑えられ、光学性能を良好にしつつも系全体を小型化することができる。

ここでポリゴンミラーを偏向器として使用した場合、一走査の間において、ポリゴンミラーでのレーザー光の入射位置、換言すれば反射位置（以下、偏向点という）が微小にずれることが知られている。この偏向点の位置ずれは、平面状の偏向面が回転するというポリゴンミラーの作用のため、最大でポリゴンミラーの内接円と外接円の差分だけ生じる。収束光を使用した場合、偏向点の変動は、ｆθレンズ群の光軸を基準として走査軌跡が非対称になる、さらに言えば非対称な収差が発生するといった現象を招く。そのため、特許文献１に記載の走査光学系は、上記現象を解消するために、ｆθレンズ群を主走査方向のパワー配分が光軸に対して非対称となるように設計されたｆθレンズ群を使用している。ここで「走査軌跡」とは、上記走査光学系からｆθレンズ群のみを取り除いた仮想的な構成において、ポリゴンミラーにより偏向された収束光（ここでの収束は主走査断面における収束）が像を結ぶ仮想点（別の表現によれば、集光レンズにより収束されたレーザー光の像点）の軌跡を意味する。

しかし、特許文献１に開示されるような、パワー配分が非対称なｆθレンズ群を使用した場合、該ｆθレンズ群や光源とポリゴンミラー間に配設されるカップリングレンズ群といった各光学部材の配置誤差に対する許容度が非常に厳しくなる。換言すれば、走査光学系全体の光学性能は、各光学部材が偏心して配設されることに対して非常に高い感度を持つ。つまり、各部材の取り付け時に生じた微小な誤差によって、被走査面上において許容できない程度の非点収差や走査位置ずれが生じてしまう。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、全体の小型化を維持しつつも、各光学部材の配置誤差に対する許容度を緩め、良好な光学性能を有することができる走査光学系を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の走査光学系は、光源から照射されたレーザー光を偏向器によって偏向することにより、該レーザー光を被走査面上で走査する走査光学系において、光源から順に、カップリングレンズ群、偏向器、ｆθレンズ群、を有し、以下の条件（１）、（２）、

ただし、ｆはカップリングレンズ群の焦点距離を、
Ｋはｆθレンズ群の走査係数を、
Ｍは走査光学系全系の主走査方向の倍率を、
Ｗは被走査面でのレーザー光の走査幅を、
αは主走査平面上において、光源と偏向器間に配設される光学系の光軸と、ｆθレンズ群の光軸とがなす角度を、
ｍはｆθレンズ群の主走査方向の倍率を、
ｄは偏向器から前記ｆθレンズ群の第一面までの距離を、それぞれ表す、
を共に満たすことを特徴とする。

以上の各条件を満たすように各光学部材を構成することにより、走査光学系を小型化しつつ、かつ光軸に対して対称なｆθレンズ群を使用して光学性能を良好に保つことができる。また、カップリングレンズ群やｆθレンズ群に関して、配置誤差に対する許容度を緩くすることができる。

また、請求項２に記載の走査光学系によれば、以下の条件（３）を満たすことが望ましい。

ただし、Δは以下の式、

により求まる偏向点の変動量を、
Ｈは以下の式、

により求まるｆθレンズ群の光軸から走査軌跡の端点までの距離を、
φは偏向器の内接円の直径を、それぞれ表す。ここで走査軌跡は、本発明に係る走査光学系がｆθレンズ群を有しない仮想的な構成とする場合に、カップリングレンズ群により収束されて偏向器により偏向されたレーザー光の像点の軌跡と定義される。

また請求項３に記載の走査光学系によれば、上記の各条件を好適に満たすためには、以下の条件（４）、（５）
０＜ｍ＜０．５…（４）
Ｋ＞Ｗ／２…（５）
を満たすように設計すればよい。

請求項４に記載の走査光学系によれば、上記特徴を有する走査光学系では、単一のチップ上において、主走査方向にずれて配設された複数のレーザー光照射口を有するような光源が好適に使用される。

以上のように、本発明に係る走査光学系によれば、上記所定の条件を満たすように各光学部材を設計することにより、全体の小型化を維持しつつも、各光学部材の配置誤差に対する許容度を緩め、良好な光学性能を有することができる。

図１は、通常使用状態における実施形態の走査光学系１０の概略構成を示す図である。走査光学系１０は、画像形成装置等に配設される。図１に示すように走査光学系１０は、光源１、カップリングレンズ群２、シリンドリカルレンズ群３、ポリゴンミラー４、ｆθレンズ群５を有する。図１に示す符号Ｓは、例えば画像形成装置における感光ドラム等の被走査面を指し示す。

なお、以下の説明において、主走査方向をＹ方向、副走査方向をＺ方向、Ｙ、Ｚの各方向に直交する方向つまりｆθレンズ群５の光軸方向をＸ方向と定義する。

走査光学系１０を用いた場合、被走査面Ｓ上におけるレーザー光の走査は以下のようにして行われる。光源１から照射されたレーザー光は、まずカップリングレンズ群２に入射する。カップリングレンズ群２は、入射するレーザー光を少なくとも主走査方向に収束させるパワーを持つ。カップリングレンズ群２から射出されたレーザー光は、次いでシリンドリカルレンズ群３に入射する。シリンドリカルレンズ群３は、入射するレーザー光を副走査方向に収束するパワーを持つ。シリンドリカルレンズ群３から射出されたレーザー光は、ポリゴンミラー４の直前で副走査方向に集光する。

副走査方向に集光したレーザー光は、ポリゴンミラー４に入射する。ポリゴンミラー４は、中心軸Ｏ回りに回転する複数の偏向面を有する。レーザー光は、該偏向面によって偏向されつつ後段のｆθレンズ群５に導かれる。

ｆθレンズ群５を透過したレーザー光は等速性が担保された状態で、被走査面Ｓ上を主走査方向（Ｙ方向）に走査する。なお、本実施形態ではｆθレンズ群５は２枚のレンズから構成されているが、これはあくまで一例であり本発明に係るｆθレンズ群は当該構成に限定されるものではない。

以上のように、本実施形態の走査光学系１０では、カップリングレンズ群２によって、ポリゴンミラー４に収束光を入射させている。なお、以下の説明において、単に収束光と記した場合には、少なくとも主走査方向に収束するレーザー光のことを指す。ポリゴンミラー４に収束光を入射させることにより、ｆθレンズ群５の焦点距離に応じてカップリングレンズ群２の焦点距離が一意に決定されることがなくなる。つまり本実施形態では、走査光学系１０の小型化のためにｆθレンズ群５の焦点距離を短く設定したとしても、条件式（１）、（２）を満たすことにより、カップリングレンズ群２の焦点距離を、該レンズ２の取り付け誤差等が光学性能に与える影響を小さく抑えるような適切な値に設定することができる。

ただし、ｆはカップリングレンズ群２の焦点距離を、
Ｋはｆθレンズ群５の走査係数を、
Ｍは走査光学系全系の主走査方向の倍率を、
Ｗは被走査面でのレーザー光の走査幅を、
αは主走査平面上において、光源１とポリゴンミラー４間に配設される光学系の光軸と、ｆθレンズ群５の光軸とがなす角度を、
ｍはｆθレンズ群５の主走査方向の倍率を、
ｄはポリゴンミラー４からｆθレンズ群５の第一面までの距離を、それぞれ表す。なお、ｆθレンズ群５の走査係数Ｋとは、ポリゴンミラー４による単位偏向角をΔθ、Δθあたりの被走査面上における走査量をΔＹとしたときに、ΔＹ／Δθで与えられる値である。走査係数Ｋは、ｆθレンズ群５の倍率が小さいとき、走査レンズ群５の焦点距離に略等しい。なお、上記の偏向角とは、ポリゴンミラー４で偏向されたレーザー光とｆθレンズ群５の光軸とがなす角度をいう。

なお、本実施形態の光源１は、１つのレーザー光照射口のみを持つものを想定しているが、複数の照射口を持つ光源を使用するような変形も可能である。図２は、光源１が複数の照射口を有する場合の光源近傍を拡大して示す図である。図３は、図２の光源１を模式的に示す斜視図である。図２や図３に示す光源１は、単一のチップ上にレーザー光照射口を複数個（ここでは、照射口１ａ、１ｂの二つ）有する。このような光源１を使用すれば、本実施形態の走査光学系１０を、いわゆるマルチビーム光学系として使用することができる。各照射口１ａ、１ｂから照射されたレーザー光が被走査面Ｓ上において走査ムラのない高精度な描画を行えるように、光源１の各照射口１ａ、１ｂは、互いにＹ、Ｚの各方向に微少量（Δｙ、Δｚ）ずれて配設されている。なお、図２や図３に示す光源１を使用して、主走査方向にずらして配設された照射口１ａ、１ｂから照射された複数本のレーザー光で同時に複数ライン走査する構成の場合、本質的に照射口とカップリングレンズ群が偏心することは免れない。そのため、偏心したことによる影響、例えば像面湾曲を小さくすることは極めて重要である。

また、既述の通り、レーザー光を偏向させる手段としてポリゴンミラーを使用した場合、いわゆる偏向点の変動が生じることが知られている。該偏向点の変動はポリゴンミラーに収束光を入射させた場合、走査軌跡が非対称になる、さらに言えば非対称な走査速度誤差が発生するといった現象がおこりやすくなる。そこで本実施形態の走査光学系１０は、該現象を有効に回避すべく、以下の各条件（３）を満たすように構成される。なお、本実施形態における「走査軌跡」は図６に示される通りである。図６は図１と同様に走査光学系１０の概略構成を示す図である。図６では説明の便宜上、光源１、カップリングレンズ群２、シリンドリカルレンズ群３、および被走査面Ｓの一部を図示省略する。図６に示されるように、走査軌跡は、走査光学系１０がｆθレンズ群５を有しない構成であると仮定した場合における、ポリゴンミラー４により偏向された収束光Ｌ_１（ここでの収束は主走査断面における収束）が像を結ぶ点の軌跡Ｌ_２である。また別の表現によれば、走査軌跡Ｌ_２はカップリングレンズ群２により収束されたレーザー光の像点の軌跡である。ｆθレンズ群５は、走査軌跡Ｌ_２を物点（虚物点）として被走査面Ｓ上に実像を結ぶ。

ただし、Δは以下の式、

により求まる偏向点の変動量を、
Ｈは以下の式、

により求まるｆθレンズ群５の光軸から走査軌跡Ｌ_２の端点Ｐ（図６参照）までの距離を、
φはポリゴンミラーの内接円の直径を、それぞれ表す。

条件（３）を満たすことは、走査軌跡Ｌ_２の対称性が保たれることを意味する。そのため条件（３）を満たすことにより、ｆθレンズ群５を光軸を挟んで対称に設計しても走査軌跡Ｌ_２の非対称性を事実上不問とすることができる。対称に設計されたｆθレンズ群５であれば、取り付け時に要求される精度も緩くなり、また取り付け誤差に対する許容度も大きくなる。なお、Δ／Ｈを±０．００５以下に設定すれば、対称に設計されたｆθレンズ群５に平行光を入射させた場合と実質的に同一な光学性能を得ることが可能になる。

上記の各条件（１）〜（３）を満たすためには、以下の条件（４）、（５）を満たすように各パラメータを適切に設定することが望ましい。
０＜ｍ＜０．５…（４）
Ｋ＞Ｗ／２…（５）

各パラメータが上記の各条件（４）、（５）を満たすように設定することによって、各条件（１）〜（３）を満たす構成を容易に実現することができる。なお、条件（４）、（５）を満たさない場合、ｆθレンズ群５が高倍率化、高画角化しすぎてしまい、収差、特に等速化に関する補正（つまり走査速度誤差の低減）が困難になるため好ましくない。

次に、上記実施形態の具体的実施例を説明する。実施例の走査光学系１０は、図１に示される。実施例の走査光学系１０および比較例の走査光学系の具体的数値構成は、以下の表１に示される。なお、比較例の走査光学系では、カップリングレンズ群に入射したレーザー光は平行光に変換される。すなわち、比較例の走査光学系では、カップリングレンズ群はコリメートレンズ群として機能する。

また、表１に示す具体的数値構成に基づいて算出した実施例に関する各条件の値を表２に示す。

表２に示すように、実施例は条件（２）、（３）を共に満たす。また、表１より、実施例は他の条件（１）、（４）、（５）も満たしていることが分かる。このように、本実施例では上述した全ての条件、特に条件（２）、（３）を満たしている。そのため、実施例では、被走査面Ｓ上における非対称な収差の発生を効果的に抑えることができる。従って、ｆθレンズ群５を光軸を挟んで対称に設計することができる。なお、一般にマルチビーム走査光学系は、該光学系が搭載される画像形成装置で使用可能な画像形成媒体（例えば用紙）の幅を超えないことが小型化を図る際の目標とされる。用紙幅はマルチビーム走査光学系における走査幅に略等しい。実施例では、表１に示すように、光源１からカップリングレンズ群２を経てポリゴンミラーまでの距離を走査幅の１／２よりも短く収めることにより、小型化を有効に達成している。

各条件（１）〜（５）を全て満たす実施例の走査光学系１０の性能について検証する。図４は、実施例の走査光学系１０の像高に対する走査速度誤差に関する特性を表すグラフである。図４に示すように、本実施例によれば略等速で走査が行われていることが分かる。

また、図５は、像高に対する主走査方向のデフォーカス量すなわち主走査方向のピント位置ずれに関する特性を表すグラフである。図５中、一点鎖線は設計値どおりに構成された走査光学系で得られる理想的特性を、実線は実施例の走査光学系１０においてカップリングレンズ群２が全系の中心軸から０．１ｍｍ偏心して配置している場合の特性を、破線は比較例の走査光学系においてカップリングレンズ群（コリメートレンズ群）が全系の中心軸から０．１ｍｍ偏心して配置している場合の特性を、それぞれ表す。

図５に示すように、カップリングレンズ群偏心時において、実施例の走査光学系１０は比較例よりも理想的特性に近い特性を有していることが分かる。より具体的には、像高０での主走査方向のデフォーカス量が、比較例では２．７５ｍｍであるのに対して実施例では２．４５ｍｍに抑えられている。

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のような変形を行っても上記実施形態と同様の効果を奏する。

例えば、上記実施形態ではポリゴンミラーを偏向器として使用している。本発明に係る走査光学系は、微少振動することによりレーザー光を偏向するガルバノミラー等を偏向器として使用することも可能である。この場合、上述したパラメータφは必ず０になるため、条件（３）を常に満足する走査光学系が提供される。

本発明の実施形態の走査光学系の概略構成を表す図である。 本実施形態の走査光学系の光源近傍を拡大して示す図である。 本実施形態の光源を示す図である。 実施例の走査光学系の像高に対する走査速度誤差に関する特性を表すグラフである。 実施例の走査光学系の像高に対する主走査方向のデフォーカス量に関する特性を表すグラフである。 走査軌跡を説明するための図である。

符号の説明

１ 光源
２ カップリングレンズ群
４ ポリゴンミラー
５ ｆθレンズ群
１０ 走査光学系

Claims (4)

1. 光源から照射されたレーザー光を偏向器によって偏向することにより、該レーザー光を被走査面上で走査する走査光学系において、
   光源から順に、カップリングレンズ群、偏向器、ｆθレンズ群、を有し、
   以下の条件（１）、（２）、
   

   

   
   ただし、ｆは前記カップリングレンズ群の焦点距離を、
   Ｋは前記ｆθレンズ群の走査係数を、
   Ｍは前記走査光学系全系の主走査方向の倍率を、
   Ｗは前記被走査面でのレーザー光の走査幅を、
   αは主走査平面上において、前記光源と前記偏向器間に配設される光学系の光軸と、前記ｆθレンズ群の光軸とがなす角度を、
   ｍは前記ｆθレンズ群の主走査方向の倍率を、
   ｄは前記偏向器から前記ｆθレンズ群の第一面までの距離を、それぞれ表す、
   を共に満たすことを特徴とする走査光学系。
2. 請求項１に記載の走査光学系において、
   さらに以下の条件（３）、
   

   

   
   ただし、Δは以下の式、
   

   

   
   により求まる偏向点の変動量を、
   Ｈは以下の式、
   

   

   
   により求まる前記ｆθレンズ群の光軸から走査軌跡の端点までの距離を、
   φは前記偏向器の内接円の直径を、それぞれ表し、
   前記走査軌跡は、前記走査光学系が前記ｆθレンズ群を有しない仮想的な構成とする場合に、前記カップリングレンズ群により収束されて前記偏向器により偏向されたレーザー光の像点の軌跡と定義される、
   を満たすことを特徴とする走査光学系。
3. 請求項１または請求項２に記載の走査光学系において、
   さらに以下の条件（４）、（５）
   ０＜ｍ＜０．５…（４）
   Ｋ＞Ｗ／２…（５）
   を共に満たすことを特徴とする走査光学系。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の走査光学系において、
   前記光源は、単一のチップ上において、主走査方向にずれて配設された複数のレーザー光照射口を有することを特徴とする走査光学系。

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