JP2009042605A - レーザー走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を図りつつ、副走査倍率を主走査方向に均一に保ち、高速描画における画質低下を回避する。
【解決手段】主走査方向については、共振鏡３に入射する光は収束光であり、第２の光学系４の第１のレンズ４ａの屈折力が負である。これにより、偏向角が小さくても、主走査方向に所望の走査幅を得るのに必要な、共振鏡３から感光体５までの距離を短くできる。また、副走査方向については、共振鏡３に入射する光は平行光であり、第２の光学系４の第１のレンズ４ａの屈折力は負であり、第２のレンズ４ｂの屈折力は正である。しかも、第１のレンズ４ａは両面とも自由曲面であり、第２のレンズ４ｂも自由曲面を有している。これにより、副走査倍率を均一に保つことができ、複数のビームによる高速描画を行う場合でも、複数ビームの副走査方向の間隔が変化して画質が低下するのを回避できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー走査装置に関するものである。

従来のレーザー走査装置の分野では、例えば特許文献１に示されるように、主走査方向について収束光としたレーザー光を偏向器（例えば共振鏡）によって偏向し、主走査方向について負の屈折力（光学パワー）を有し、かつ、アークサイン特性を有する走査レンズによって被走査面上に集光させ、被走査面上を等速走査する技術が提案されている。特許文献１のように、主走査方向について収束光を偏向器に入射させ、走査レンズの主走査方向の屈折力を負とすることで、偏向器での偏向角が小さくても、主走査方向に所望の走査幅を得るのに必要な、偏向器から被走査面までの距離を短くすることができ、装置を小型化することが可能となる。
特開２００６−２２７０４４号公報

ところが、従来のレーザー走査装置において、用いる走査レンズが１枚の場合、副走査倍率が主走査方向において均一にはならず、例えば、複数ビームによる高速描画を行う際に、被走査面上の位置によって複数ビーム（照射スポット）の副走査方向の間隔が変化して画質が低下するという問題が生ずる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、装置の小型化を図りつつ、副走査倍率を主走査方向に均一に保ち、高速描画における画質低下を回避することができるレーザー走査装置を提供することにある。

本発明のレーザー走査装置は、光源と、上記光源からの光を主走査方向について収束光に変換し、副走査方向について平行光に変換する第１の光学系と、反射面を正弦的に揺動させて上記第１の光学系からの光を偏向する偏向器と、上記偏向器にて偏向された光を主走査方向および副走査方向ともに被走査面上に集光するとともに、上記光で被走査面上を主走査方向に等速走査する第２の光学系とを有し、上記第２の光学系は、偏向器側に配置される第１のレンズと、被走査面側に配置される第２のレンズとの２枚のレンズからなり、上記第１のレンズは、光入射側の面および光射出側の面が両方とも自由曲面であり、かつ、主走査方向および副走査方向のそれぞれについて負の屈折力を有しており、上記第２のレンズは、自由曲面を有しており、かつ、副走査方向について正の屈折力を有していることを特徴としている。

上記の構成によれば、光源からの光は、第１の光学系を介して偏向器（例えば共振鏡）に入射してそこで偏向され、第２の光学系（第１のレンズ、第２のレンズ）を介して、被走査面（例えば感光体）上に主走査方向および副走査方向ともに集光される。この第２の光学系により、偏向器として反射面が正弦的に揺動するものを用いても、被走査面上を主走査方向に等速走査することが可能となる。

ここで、主走査方向については、偏向器に入射する光は収束光であり、第２の光学系の第１のレンズの屈折力が負である。これにより、偏向器での偏向角が小さくても、主走査方向に所望の走査幅を得るのに必要な、偏向器から被走査面までの距離を短くすることができ、装置を小型化することが可能となる。

一方、副走査方向については、偏向器に入射する光は平行光であり、第２の光学系の第１のレンズの屈折力は負であり、第２のレンズの屈折力は正である。しかも、第１のレンズは、光入射側の面および光射出側の面が自由曲面となっており、第２のレンズも自由曲面を有している。

このように、副走査方向について、偏向器に平行光を入射させるとともに、第１のレンズおよび第２のレンズの屈折力を上記のように設定し、自由曲面を３面用いる構成とすることにより、上記したように装置の小型化を図りつつ、副走査倍率を主走査方向について均一に保つことが可能となる。これにより、例えば光源として複数の発光点を有するものを用い、複数のビームによる高速描画を行う場合でも、被走査面上の位置によって複数ビームの副走査方向の間隔が変化して画質が低下するのを回避することができる。

本発明のレーザー走査装置において、上記光源は、複数の発光点を有していてもよい。この場合、画質を低下させることなく、マルチビームによる高速描画が可能となる。

本発明のレーザー走査装置において、上記第１のレンズにおいて、副走査断面での形状は、上記偏向器側に凸のメニスカス形状であり、光入射側の面および光射出側の面の副走査断面内の曲率は両方とも、画像中央に対応する部分から画像周辺部に対応する部分に向かって増大することが望ましい。この場合、副走査倍率を主走査方向において確実に均一にすることが可能となる。

本発明のレーザー走査装置において、上記第１の光学系は、上記光源が発した光を平行光に変換するコリメータレンズと、主走査方向について正の屈折力を有し、上記コリメータレンズからの光を主走査方向に収束するシリンドリカルレンズとからなる構成であってもよい。この構成では、第１の光学系を大型化させることなく、主走査方向について収束光を生成して偏向器に入射させることが可能となる。

本発明によれば、主走査方向について、偏向器に入射する光は収束光であり、第２の光学系の第１のレンズの屈折力が負であるので、偏向器から被走査面までの光路長を短縮して装置を小型化することが可能となる。しかも、第２の光学系に３面の自由曲面を持たせて副走査倍率を均一にすることができるので、例えば複数ビームを使用しても、画質を低下させることなく高速な描画を実現することが可能となる。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図１は、本実施形態に係るレーザー走査装置の概略の構成を示す斜視図である。このレーザー走査装置は、光源１と、第１の光学系２と、共振鏡３と、第２の光学系４と、感光体５とを有している。

光源１は、ほぼ直線偏光のレーザー光を出射する光源であり、例えば半導体レーザーで構成されている。本実施形態では、光源１は複数の発光点を有しており（図７参照）、複数ビームによる高速描画が可能となっている。

第１の光学系２は、光源１からのレーザー光を主走査方向について収束光に変換し、副走査方向について平行光に変換する集光光学系である。この第１の光学系２は、光源１側に配置されるコリメータレンズ２ａと、共振鏡３側に配置されるシリンドリカルレンズ２ｂとの２枚のレンズで構成されている。コリメータレンズ２ａは、光源１が発したレーザー光を平行光に変換し、シリンドリカルレンズ２ｂに導く。シリンドリカルレンズ２ｂは、主走査方向について正の屈折力を有し、コリメータレンズ２ａからの光を主走査方向に収束して共振鏡３に導く。

共振鏡３は、反射面を正弦的に揺動させて第１の光学系２からの光を偏向する偏向器であり、例えばレゾナントスキャナで構成されている。

第２の光学系４は、共振鏡３にて偏向された光を主走査方向および副走査方向ともに被走査面である感光体５上に集光する走査光学系である。この第２の光学系４は、アークサイン特性を有しており、偏向器として反射面が正弦的に揺動する共振鏡３を用いても、共振鏡３にて偏向された光で感光体５上を主走査方向に等速走査することが可能となる。

第２の光学系４は、共振鏡３側に配置される第１のレンズ４ａと、感光体５側に配置される第２のレンズ４ｂとの２枚のレンズで構成されている。第１のレンズ４ａは、光入射側の面および光射出側の面が両方とも自由曲面であり、主走査方向および副走査方向のそれぞれについて負の屈折力を有している。一方、第２のレンズ４ｂは、例えば光入射側の面が自由曲面であり、副走査方向について正の屈折力を有している。

上記構成において、光源１の発したレーザー光は、第１の光学系２のコリメータレンズ２ａによって平行光とされた後、シリンドリカルレンズ２ｂによって主走査方向のみ収束光とされ、共振鏡３に入射する。共振鏡３では、第１の光学系２からの入射光が主走査方向に偏向され、第２の光学系４を介して感光体５上に集光する。以下、このようなレーザー走査装置の詳細について、実施例１および２として説明する。なお、実施例１では、比較例についても言及する。

（実施例１）
図２〜図４は、実施例１に係るレーザー走査装置の光路図である。より詳細には、図２は、上記レーザー走査装置全体の主走査断面での光路図であり、図３は、共振鏡３から感光体５までの副走査断面での光路図であり、図４は、光源１から共振鏡３までの副走査断面での光路図である。主走査方向については、光源１からの光は共振鏡３に入射する時点では収束光となっている。

ここで、共振鏡３に収束光を入射させる構成において、共振鏡３から上流側では、共振鏡３から遠ざかるほど光束の横幅（主走査方向の幅）が広くなるため、通常であれば、共振鏡３よりも上流側に配置される光学素子（例えばレンズ）のサイズが大きくなり、コストアップとなる。しかし、本実施形態では、共振鏡３に近いところにシリンドリカルレンズ２ｂを配置しており、また、シリンドリカルレンズ２ｂよりも上流側にコリメータレンズ２ａを配置しているため、シリンドリカルレンズ２ｂに入射する光は平行光であり、主走査方向の光束幅一定である。したがって、コリメータレンズ２ａを大きくせずに済み、第１の光学系２を大型化させることなく、主走査方向について収束光を生成して共振鏡３に入射させることができるとともに、光学素子のコストアップを回避できる。

また、表１は、実施例１の光学系を光学面の座標データで数値的に示したものである。この座標データは、グローバルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）におけるローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点およびベクトルで各光学面（面頂点基準）の配置を表しており、その評価面が感光体５の表面に相当している。

なお、表１中の面番号１〜１０は、それぞれ、第１の光学系２のコリメータレンズ２ａの光入射側および光射出側の面、シリンドリカルレンズ２ｂの光入射側および光射出側の面、共振鏡３の光反射面、第２の光学系４の第１レンズ４ａの光入射側および光射出側の面、第２レンズ４ｂの光入射側および光射出側の面、感光体５の表面を指している。また、Ｚ軸は、副走査方向の軸であり、Ｙ軸は、主走査方向の軸であり、Ｘ軸は、ＹＺ平面に垂直な軸である。また、表１中の共振鏡３の座標は、偏向角０度の場合について示している。

また、表２〜表７は、光学面の面構成（面形状）を示している。ただし、Ｅ−ｎ＝×１０^-nとする。

ここで、自由曲面（非軸対称面）の面形状は、次の数１式によって表現される。ただし、ａ_ijは、自由曲面の係数とする。

また、軸対称非球面の面形状は、次の数２式によって表現される。ただし、ａ_iは、非球面係数とする。

なお、表に示されていない係数は、全て０である。

実施例１においては、第１の光学系２のコリメータレンズ２ａは、ガラスの軸対称非球面レンズであり、光入射側の面が球面、光射出側の面が軸対称非球面となっている。シリンドリカルレンズ２ｂは、１枚のガラスレンズであり、その光入射側の面がシリンダ面となっている。第２の光学系４の第１のレンズ４ａは、樹脂からなる非軸対称レンズで構成されており、その光入射側および光射出側の面が両方とも自由曲面となっている。第２のレンズ４ｂは、樹脂からなる非軸対称レンズで構成されており、その光入射側の面が自由曲面となっている。また、使用波長は４０５ｎｍであり、そのときの上記ガラスの屈折率は、１．５３０であり、上記樹脂の屈折率は、１．５４７である。

表８は、第２の光学系４の第１のレンズ４ａおよび第２のレンズ４ｂの光軸付近での屈折力（光学パワー（単位；１／ｍｍ））を具体的な数値で示している。第１のレンズ４ａおよび第２のレンズ４ｂのいずれについても、主走査断面内と副走査断面内とで屈折力が異なっている。また、第１のレンズ４ａにおいては、主走査断面内でも副走査断面内でも屈折力が負であり、第２のレンズ４ｂにおいては、主走査断面内の屈折力が負であり、副走査断面内の屈折力が正である。

図５は、第２の光学系４の第１のレンズ４ａにおける副走査断面内の曲率の変化を示している。横軸は、感光体５上での像高を示しており、その像高に光が到達する偏向角において、レンズ面に主光線が入射する位置で副走査断面内の曲率を計算した。曲率は全て正の値であり、第１のレンズ４ａは、副走査断面内では共振鏡３側に凸のメニスカス形状であることを示している。また、第１のレンズ４ａの光入射側の面および光射出側の面の副走査断面内の曲率は両方とも、画像中央に対応する部分から画像周辺部に対応する部分に向かって増大している。これによって、第２の光学系４トータルで、副走査倍率を均一に保つことが可能となる。

図６は、実施例１および比較例における、感光体５上での２つのビーム（照射スポット）の副走査方向の間隔を示したものである。また、図７は、コリメータレンズ２ａ側から光源１を見たときの２つの発光点の位置関係を模式的に示している。光源１において、２つの発光点は、１４μｍの間隔で位置しており、コリメータレンズ２ａの光軸周りに、水平から９．８度傾いている。実施例１においてこのような光源１を用いた場合、感光体５上での照射スポットの副走査方向についての間隔は、図６に示すように、４２．３μｍとなっている。

なお、表９は、比較例の光学系を光学面の座標データで数値的に示したものであり、表１０〜表１４は、上記光学面の面構成（面形状）を示している。ただし、Ｅ−ｎ＝×１０^-nとする。

比較例は、共振鏡３に入射する光を、主走査方向について収束光、副走査方向について平行光とした点は実施例１と同じであるが、第２の光学系４を１枚の走査レンズで構成した点で実施例１とは異なっている。なお、比較例の上記走査レンズの両面は自由曲面となっている。図６より、比較例の構成では、副走査倍率を均一に保つことができず、画像中央から周辺にかけて副走査方向のビーム間隔が増大していることがわかる。

図８は、実施例１および比較例において、感光体５上での主走査方向および副走査方向のビーム径を示したものである。実施例１の第２の光学系４は、正弦的に揺動する共振鏡３による走査光で感光体５上を等速走査する射影特性を持っているため、主走査方向のビーム径は画像中央から周辺部にかけて増大し、均一にはならない。一方、副走査方向については、副走査倍率を均一にできたため、ビーム径も均一になっている。これに対して、比較例では、上述のように副走査倍率が不均一なため、副走査方向のビーム径も画像周辺部で増大している。実施例１によれば、副走査方向のみではあるがビーム径を均一にすることができるので、画質面では比較例よりも有利であると言える。

図９および図１０は、実施例１において、画像中央部および画像周辺部でのビーム形状をそれぞれ示している。これらの図では、それぞれピーク強度に対して、１０％刻みで等高線を描画している。図９および図１０より、副走査方向（図面上下方向）のビーム径が均一になっていることがわかる。また、図１１は、実施例１における像面湾曲を示している。同図より、良好に収差補正されていることがわかる。

図１２は、実施例１での歪曲を示したものである。なお、このときの理想像高は、以下の数３式によって表現される。

ただし、
ｋ ：理想像高算出係数
θ ：偏向角（度）
ωmax：描画に使用しない範囲まで含めた最大の偏向角（度）
である。

実施例１においては、ωmaxは３０度で、ｋは偏向角０度近傍で偏向角を微少量変化させたときの像高変化から算出した結果、約１８９である。

なお、偏向器への入射光が平行光のとき、ｋは走査光学系の主走査断面内の焦点距離とωmaxをラジアンで表わした数値とを掛け合わせた値となる。また、偏向器への入射光が平行光で本実施形態と同じｋの値となるような走査光学系の主走査断面焦点距離は約３６０ｍｍとなる。このとき、主点の位置を走査レンズの位置から大きくずらすためには、強い正負のパワーを組み合わせて使用することが必要になり、収差補正や製造が困難になるので、通常は、偏向器から感光体までの距離は３６０ｍｍよりも大きな値となる。実施例１では、偏向器に入射させる光を主走査方向について平行光でなく収束光としているために、偏向器から感光体までの距離は２６９ｍｍ程度まで短縮できている。なお、偏向器への入射位置から、偏向器での偏向後に走査レンズが無い時に光が収束する位置までの距離は、約６０ｍｍである。

（実施例２）
次に、実施例２のレーザー走査装置について説明する。図１３〜図１５は、実施例２に係るレーザー走査装置の光路図である。より詳細には、図１３は、上記レーザー走査装置全体の主走査断面での光路図であり、図１４は、共振鏡３から感光体５までの副走査断面での光路図であり、図１５は、光源１から共振鏡３までの副走査断面での光路図である。なお、図１４では、第２の光学系４の第１のレンズ４ａおよび第２のレンズ４ｂについては、その光入射面および光射出面のみを図示している。実施例２においても、主走査方向については、光源１からの光は共振鏡３に入射する時点では収束光となっている。

表１５は、実施例２の光学系を光学面の座標データで数値的に示したものである。

また、表１６〜表２１は、光学面の面構成（面形状）を示している。ただし、Ｅ−ｎ＝×１０^-nとする。

なお、表に示されていない係数は、全て０である。

表２２は、実施例２において、第２の光学系４の第１のレンズ４ａおよび第２のレンズ４ｂの光軸付近での屈折力を具体的な数値で示している。第１のレンズ４ａおよび第２のレンズ４ｂのいずれについても、主走査断面内と副走査断面内とで屈折力が異なっている。また、第１のレンズ４ａは、主走査断面内でも副走査断面内でも屈折力が負であり、第２のレンズ４ｂは、主走査断面内の屈折力が負であり、副走査断面内の屈折力が正である。

図１６は、実施例２において、第２の光学系４の第１のレンズ４ａにおける副走査断面内の曲率の変化を示している。図１７は、実施例２における、感光体５上での２つのビーム（照射スポット）の副走査方向の間隔を示したものである。実施例１と同様に、感光体５上での照射スポットの副走査方向についての間隔は、一定（例えば４２．３μｍ）となっている。

図１８は、実施例２において、感光体５上での主走査方向および副走査方向のビーム径を示したものであるが、実施例１と同様に、副走査方向についてはビーム径が均一になっている。

図１９および図２０は、実施例２において、画像中央部および画像周辺部でのビーム形状をそれぞれ示している。これらの図では、それぞれピーク強度に対して、１０％刻みで等高線を描画している。図１９および図２０より、副走査方向（図面上下方向）のビーム径が均一になっていることがわかる。図２１は、実施例２における像面湾曲を示している。同図より、良好に収差補正されていることがわかる。

図２２は、実施例２での歪曲を示したものである。実施例２では、偏向器への入射位置から、偏向器での偏向後に走査レンズが無い時に光が収束する位置までの距離は、約８０ｍｍである。

以上、実施例１および２で示したように、本発明のレーザー走査装置においては、主走査方向については、共振鏡３に入射する光は収束光であり、第２の光学系４の第１のレンズ４ａの屈折力が負である。これにより、共振鏡３での偏向角が小さくても、主走査方向に所望の走査幅を得るのに必要な、共振鏡３から感光体５までの距離を短くすることができ、装置を小型化することが可能となる。

また、副走査方向については、共振鏡３に入射する光は平行光であり、第２の光学系４の第１のレンズ４ａの屈折力は負であり、第２のレンズ４ｂの屈折力は正である。しかも、第２の光学系４は、自由曲面を３面有している。これにより、良好な結像性能を維持したまま、副走査倍率を主走査方向について均一に保つことが可能となる。その結果、光源１として複数の発光点を有するものを用い、複数のビームによる高速描画を行う場合でも、感光体５上における複数ビーム（照射スポット）の副走査方向の間隔が変化して画質が低下するのを回避することができる。

本発明は、例えばデジタル複写機やレーザプリンタに適用可能である。

本発明の実施の一形態に係るレーザー走査装置の概略の構成を示す斜視図である。 実施例１のレーザー走査装置全体の主走査断面での光路を示す説明図である。 上記レーザー走査装置における、共振鏡から感光体までの副走査断面での光路を示す説明図である。 上記レーザー走査装置における、光源から共振鏡までの副走査断面での光路を示す説明図である。 上記レーザー走査装置の第２の光学系の第１のレンズにおける副走査断面内の曲率の変化を示す説明図である。 実施例１および比較例における、感光体上での２つのビーム（照射スポット）の副走査方向の間隔を示す説明図である。 実施例１において、コリメータレンズ側から光源を見たときの２つの発光点の位置関係を模式的に示す説明図である。 実施例１および比較例における、感光体上での主走査方向および副走査方向のビーム径を示す説明図である。 実施例１における、画像中央部でのビーム形状を示す説明図である。 実施例１における、画像周辺部でのビーム形状を示す説明図である。 実施例１における像面湾曲を示す説明図である。 実施例１での歪曲を示す説明図である。 実施例２のレーザー走査装置全体の主走査断面での光路を示す説明図である。 上記レーザー走査装置における、共振鏡から感光体までの副走査断面での光路を示す説明図である。 上記レーザー走査装置における、光源から共振鏡までの副走査断面での光路を示す説明図である。 上記レーザー走査装置の第２の光学系の第１のレンズにおける副走査断面内の曲率の変化を示す説明図である。 実施例２における、感光体上での２つのビーム（照射スポット）の副走査方向の間隔を示す説明図である。 実施例２における、感光体上での主走査方向および副走査方向のビーム径を示す説明図である。 実施例２における、画像中央部でのビーム形状を示す説明図である。 実施例２における、画像周辺部でのビーム形状を示す説明図である。 実施例２における像面湾曲を示す説明図である。 実施例２での歪曲を示す説明図である。

符号の説明

１ 光源
２ 第１の光学系
２ａ コリメータレンズ
２ｂ シリンドリカルレンズ
３ 共振鏡（偏向器）
４ 第２の光学系
４ａ 第１のレンズ
４ｂ 第２のレンズ
５ 感光体（被走査面）

Claims (4)

1. 光源と、
   上記光源からの光を主走査方向について収束光に変換し、副走査方向について平行光に変換する第１の光学系と、
   反射面を正弦的に揺動させて上記第１の光学系からの光を偏向する偏向器と、
   上記偏向器にて偏向された光を主走査方向および副走査方向ともに被走査面上に集光するとともに、上記光で被走査面上を主走査方向に等速走査する第２の光学系とを有し、
   上記第２の光学系は、偏向器側に配置される第１のレンズと、被走査面側に配置される第２のレンズとの２枚のレンズからなり、
   上記第１のレンズは、光入射側の面および光射出側の面が両方とも自由曲面であり、かつ、主走査方向および副走査方向のそれぞれについて負の屈折力を有しており、
   上記第２のレンズは、自由曲面を有しており、かつ、副走査方向について正の屈折力を有していることを特徴とするレーザー走査装置。
2. 上記光源が、複数の発光点を有していることを特徴とする請求項１に記載のレーザー走査装置。
3. 上記第１のレンズにおいて、副走査断面での形状は、上記偏向器側に凸のメニスカス形状であり、光入射側の面および光射出側の面の副走査断面内の曲率は両方とも、画像中央に対応する部分から画像周辺部に対応する部分に向かって増大することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー走査装置。
4. 上記第１の光学系は、
   上記光源が発した光を平行光に変換するコリメータレンズと、
   主走査方向について正の屈折力を有し、上記コリメータレンズからの光を主走査方向に収束するシリンドリカルレンズとからなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザー走査装置。

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