JP2009058677A - 光走査装置・画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子に採用される回折面の楕円形状の楕円率が小さくなることによる回折面の加工難易度の問題を解消し、安価で成形しやすいものとするとともに、成形容易性に基づく回折面の精度向上を図る。
【解決手段】半導体レーザ１と光学素子１は同一の連続した部材によって固定されており、光学素子２は回折光学素子である。回折光学素子としての光学素子２は、その回折部パワーが光走査装置内部の温度変化に起因する主走査方向および副走査方向のビームウェスト位置の変動を略０とするように設定された楕円形状の溝を有しており、半導体レーザ１と光学素子１を固定している部材の線膨張係数は、上記楕円形状の楕円率を増大させるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、像担持体に潜像を形成する光走査装置、該光走査装置を有する複写機、プリンタ、ファクシミリ、プロッタ、これらのうち少なくとも１つを備えた複合機等の画像形成装置に関する。

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関連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、高精細な画像を形成できるものが求められている。
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、樹脂製レンズの採用は、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。しかし反面、良く知られたように、樹脂製レンズは、環境変動、特に温度変動に伴って、形状が変化したり、屈折率が変化したりするので、光学特性とくにパワー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化する問題がある。

温度変動に伴う樹脂製レンズのパワー変化は、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含め、これら正・負樹脂製レンズにおいて発生する「環境変動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。
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（「温度変動による波長変化」）がある。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化の原因となる。
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、温度変動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。

温度変動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、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）として、特許文献１に記載のものが知られている。
特許文献１には、レーザ光源から射出されたレーザ光を所望の形態に変換するカップリングレンズと、光偏向器の偏向反射面近傍に副走査方向にのみ集光させるシリンドリカルレンズに、それぞれ同心円状の回折面と直線状の回折面を採用する光走査装置が開示されている。
このようにすると、主走査方向および副走査方向の、温度変動に起因する光走査装置全体のパワー変化を相殺することができるので、常に安定したビームスポット径を得ることができる。

しかし、特許文献１に記載のタイプは、回折面を少なくとも２面用いなければならない。回折面を多用することの課題として、回折効率の低下、すなわち所望の回折次数以外の回折光が発生することによる光伝達効率の低下が挙げられる。もちろん、設計値どおりに成形品が加工されればこのような課題は発生しない。しかし、実際の成形では必ず加工ばらつきが起き、このため回折効率の低下は不可避的に生ずる。通常のガラスよりも樹脂の方が一般的に光の透過率は悪く、その上回折効率の低下によって更に伝達効率が低下すると、被走査面上に設置された感光体上に光ビームが到達しても露光されないという事態を引き起こす。
最も簡単な解決方法としては、半導体レーザの出力を大きくすればよいが、これは消費エネルギーの増大や不要な熱の発生など別の課題を誘発する。
そこで、溝の形状を楕円状にすることで複数の回折面を１枚に集約するようなタイプが提案されている（特許文献２、３参照）。

特開２００６−２３５０６９号公報 特開２００６−１５４７０１号公報 特開２００７−１１１１３号公報

特許文献２、３のタイプだと、確かに上記した課題は解消されるが、溝の形状を楕円にした場合の大きな課題として加工性が挙げられる。
すなわち、楕円形状は円弧形状と異なり常に部分曲率が変化し、特に長手方向端部で最大値をとる。通常、このような面形状の創生は、金駒と呼ばれる金属型にバイトで加工を施すことで行われる。
バイトはその強度、工具寿命などから当然有限な大きさを有している。従って、楕円形状の曲率が大きすぎると、原理的に加工ができないことが生じうる。
楕円形状の曲率が大きくなるに伴い加工の難易度は高くなるので、現有の切削加工装置では対応できなかったり、加工精度が必然的に低下して光学素子の回折面の精度低下（回折効率の低下、波面収差の劣化、散乱光の発生等の原因となる）を招くことになる。
難易度の高い加工が可能な装置を導入することも一方法であるが、この場合設備コストの増大を来たし、光学素子の製造コストの増大につながるのを避けられない。

楕円形状の曲率は、楕円の長軸と短軸で決まる楕円率（＝短軸÷長軸）に依存するので、この値を適切に設定することにより、金型の加工容易性を確保することができる。
この加工容易性は、光学素子の回折面の精度向上につながり、安価で信頼性の高い光学素子を実現できることになる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、楕円形状の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化を低減し、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の実現、さらには、かかる光走査装置を用いる画像形成装置の実現を課題とする。
また、これらの装置に搭載される光学素子に採用される回折面の楕円形状に対する加工精度を高くすることなく、安価で成形しやすいものとすることが本発明の目的である。

ビームウェスト位置変化の補正に対する従来の設計思想は、半導体レーザとカップリングレンズの間隔の伸縮調整等によりある程度補正をした後で、必要であれば回折光学素子で補正をするというものであるため、回折面における主走査方向の回折部のパワーは比較的小さいものとなり、これを楕円として形成すると必然的に楕円率が小さくなるのである。
換言すれば、回折光学素子は最終的な補正調整手段としてしか認識されていなかった。この点についての詳細は、後述の実施例で説明する。
本発明は、従来の設計思想とは逆の発想で、回折光学素子の補正機能を積極的に活用してビームウェスト位置変化の補正を行うとともに、回折面の楕円形状における楕円率を高めてこれによる上記利点（金型の加工容易性による回折面の精度向上及びコストの低減）を享受しようというものである。
したがって、本発明は楕円形状の回折面を有する回折光学素子を用いることを前提とする。

具体的には、請求項１記載の発明では、光源からの光ビームを所望のビーム形態の光ビームに変換する光学素子１と、該光ビームを光偏向器に導光する光学素子２と、上記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、該被走査面を光走査する光学素子３と、を備えた光走査装置において、上記光源と上記光学素子１は同一の連続した部材によって固定されており、上記光学素子１、２のうち１つは回折光学素子であり、上記回折光学素子は、その回折部パワーが光走査装置内部の温度変化に起因する主走査方向および副走査方向のビームウェスト位置の変動を略０とするように設定された楕円形状の溝を有しており、上記光源と上記光学素子１を固定している部材の線膨張係数を、上記楕円形状の楕円率を増大させるように設定したことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の光走査装置において、上記回折光学素子の回折面と反対側の面は、アナモフィックな屈折面であることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の光走査装置において、上記回折光学素子の回折面は、その回折部パワーと屈折部パワーの総合パワーが０であるマルチステップ形状をしていることを特徴とする。
請求項４記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１つに記載の光走査装置において、上記回折光学素子は、上記光学素子２として採用されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明では、請求項４記載の光走査装置において、上記光学素子２は、樹脂で成形されていることを特徴とする。
請求項６記載の発明では、請求項１〜５のいずれか１つに記載の光走査装置において、上記光学素子１は、樹脂で成形されていることを特徴とする。
請求項７記載の発明では、請求項１記載の光走査装置において、上記光学素子１が回折光学素子であり、且つ、上記光学素子１が上記光学素子２の機能を兼ねていることを特徴とする。
請求項８記載の発明では、請求項７記載の光走査装置において、上記光学素子１の回折面と反対側の面は、アナモフィックな屈折面であることを特徴とする。

請求項９記載の発明では、請求項７、８記載の光走査装置において、上記光学素子１の回折面は、その回折部パワーと屈折部パワーの総合パワーが０であるマルチステップ形状をしていることを特徴とする。
請求項１０記載の発明では、請求項７〜９のいずれか１つに記載の光走査装置において、上記光学素子１は、樹脂で成形されていることを特徴とする。
請求項１１記載の発明では、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１以上有する画像形成装置において、上記光走査手段として、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光走査装置を１つ用いたことを特徴とする。
画像形成部は１以上であるから、画像形成部を１つとしてモノクロームの画像形成を行うようにすることもできるし、２以上の画像形成部にして２色画像や多色画像、さらにはカラー画像を形成するように画像形成装置を構成することもできる。この場合、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たように、光学要素の一部、例えば光偏向器や走査光学系の一部を、複数の走査光学系で共有するようにしてもよい。
画像形成部が２以上ある場合、２以上の画像形成部を同一の像担持体に対して異なる位置に設定することもできるし、所謂タンデム式のカラー画像形成装置のように、前後方向に配列させた像担持体の個々に対して個別の画像形成部を設定することもできる。

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」のビームウェスト位置の変化を簡単に考察する。
先ず、温度変動によるビームウェスト位置変動の原因となるのは、温度変動に伴う「樹脂製レンズの屈折率自体の変化」、「樹脂製レンズの形状変化」、「半導体レーザの波長変化による樹脂製レンズの屈折率変化（色収差）」が考えられる。
「樹脂製レンズの屈折率自体」は温度上昇に伴う膨張による低密度化により減少する。
「樹脂製レンズの形状」は、温度上昇に伴う膨張によりレンズ面の曲率が減少する。
「半導体レーザの発光波長」は、一般に温度上昇とともに長波長側へずれる。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。一方、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、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。

したがって、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、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、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。
ここで、回折面の「回折部」と言っているのは、本発明における光学素子の回折面は、必ずしも平面の基板に形成されたものではなく、球面やシリンドリカル面の基板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にもパワーを有することになる。従って、この基板に当たる部分のパワーを除いた回折面のみのパワーという意味で、本明細書中ではこれを回折面の「回折部」と呼ぶ。

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、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。
このとき樹脂製レンズの屈折率の変化によるビームウェスト位置変化量：Ａ
樹脂製レンズの形状変化によるビームウェスト位置変化量：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ェスト位置変化量：Ｃ
半導体レーザの発光波長変化に起因する回折面の「回折部」のパワー変化によるビームウェスト位置変化量：Ｄ
とすると、Ａ＞０、Ｂ＞０、Ｃ＞０で、Ｄ＜０（光偏向器から離れる向きの変化を正としている。）である。
そして、この温度変動に伴うトータルのビームウェスト位置変動量は、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、ビームウェスト位置変化量が０となる条件：Ａ＋Ｂ＋Ｃ−Ｄ＝０を満たすように回折面の「回折部」のパワーを設定することにより、温度変動に伴うビームウェスト位置変化を良好に補正できる。

本発明によれば、回折面の楕円形状における楕円率を高めることができ、よって金型の加工容易性による回折面の精度向上及びコストの低減を実現できる。
温度変動に起因する主走査方向および副走査方向のビームウェスト位置の変化を「略０とする」ように、回折面のパワーを設定するので、温度変動に対してビームウェスト位置変化が有効に補正され、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、この光走査装置を用いることによりこの発明の画像形成装置は安定した画像形成が可能である。

以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
まず、図１乃至図４に基づいて第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係る光走査装置の光学配置を示している。
符号１は光源としての半導体レーザ、符号２は光学素子１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は光学素子２としてのアナモフィック光学素子、符号５は光偏向器である回転多面鏡のポリゴンミラー、符号６は光学素子３としての走査光学系、符号８は被走査面をそれぞれ示す。
符号Ｇ１はポリゴンミラー５を収納する防音ハウジング（図示せず）の窓を塞ぐ防音ガラスを示し、符号Ｇ２は図１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。

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により実質的な平行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」として結像し、偏向反射面で反射されると、防塵ガラスＧ１を透過して走査光学系６に入射する。
走査光学系６は２枚のレンズ６−１、６−２により構成され、これらレンズ６−１、６−２を透過した光ビームは防塵ガラスＧ２を介して被走査面８に入射し、走査光学系６の作用により被走査面８上に光スポットを形成する。
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。走査光学系６は等角速度的に偏向しつつ入射してくる光ビームによる光スポットが、被走査面上において主走査方向（図の上下方向）へ等速的に移動するようにするｆθ特性を有しており、光スポットは、被走査面８を等速的に光走査する。

走査光学系６もアナモフィックな光学素子であり、副走査方向においてはポリゴンミラー５の偏向反射面位置と被走査面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「感光性媒体の感光面」である。
アナモフィック光学素子４は「片面が球面に形成された同心円状のパワー回折面、他方の面はシリンドリカル面に形成された直線状のパワー回折面を有するアナモフィックな樹脂製レンズ」である。

以下、本実施形態に関する具体的な実施例を挙げる。
後述する実施例および比較例において用いるガラス材料（ガラス１およびガラス２と称する。）および樹脂材料（樹脂と称する。）のデータを表１に挙げる。

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、「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。
表２に、光偏向器以降の光学系データを与える。

上の表記においてＲ_ｍは「主走査方向の近軸曲率」、Ｒ_ｓは「副走査方向の近軸曲率」であり、Ｄ_ｘ、Ｄ_ｙ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Ｄ_ｘ、Ｄ_ｙについてみると、光偏向器（ポリゴンミラー５）の回転軸から見て、走査光学系６におけるレンズ６−１の入射面の原点（入射側面の光軸位置）は、光軸方向（ｘ方向、図１の左右方向）に７９．７５ｍｍ離れ、主走査方向（ｙ方向、図１の上下方向）に８．８ｍｍ離れている。
また、レンズ６−１の光軸上の肉厚は２２．６ｍｍ、レンズ６−１と６−２の間の面間隔は７５．８５ｍｍ、レンズ６−２の光軸上の肉厚は４．９ｍｍ、レンズ６−２から被走査面までの距離は１５８．７１ｍｍである。なお、走査光学系６のレンズ６−２と被走査面の間には、図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が配置される。
走査光学系６のレンズ６−１、６−２の各面は非球面である。
レンズ６−１の入射側面とレンズ６−２の入射側面および射出側面は、主走査方向には「式１で与えられる非円弧形状」で、副走査断面（光軸と副走査方向とに平行な仮想的断面）内の曲率が主走査方向に「式２に従って変化」する特殊面である。
また、レンズ６−１の射出側面は「式３により表現される共軸非球面」である。

［非円弧形状］
主走査断面内の近軸曲率半径：Ｒ_ｍ、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_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５、…、光軸方向のデプス：Ｘとして次式（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：Ｃ_ｓ(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：Ｒ_ｓ（０）、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、…を係数として次式（２）に示す通りである。
Ｃ_ｓ（Ｙ）＝１／Ｒ_ｓ（０）＋Ｂ_１・Ｙ＋Ｂ_２・Ｙ^２＋Ｂ_３・Ｙ^３＋Ｂ_４・Ｙ^４＋Ｂ_５・Ｙ^５＋Ｂ_６・Ｙ^６＋・・・ （２）

［回転対称非球面］
近軸曲率半径：Ｒ、光軸からの距離：Ｈ、円錐定数：Ｋ、高次の係数をＡ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５、…、光軸方向のデプス：Ｘとして次式（３）で表される。

レンズ６−１の入射側面（特殊面）の係数を表３に挙げる。

レンズ６−１の射出側面（共軸非球面）の係数を表４に挙げる。

レンズ６−２の入射側面（特殊面）の係数を表５に挙げる。

レンズ６−２の射出側面（特殊面）の係数を表６に挙げる。

本実施形態では、光学素子２としてのアナモフィック光学素子４に本発明のパワー回折面を採用した例を示す。
アナモフィック光学素子４は「片面が回折部パワーと屈折部パワーの総合パワーが０であるマルチステップ形状をした楕円状の溝として構成された回折面、反対面はアナモフィック面を有する樹脂製レンズ」である。
図２はアナモフィック光学素子４を説明図的に示しており、図の左右方向が主走査方向、上下方向が副走査方向である。図２において符号４によりアナモフィック光学素子を示す部分は光軸方向から見た状態であり、片側の面４ａには図示の如く「回折部パワーと屈折部パワーの総合パワーが０であるマルチステップ形状をした楕円状の溝として構成された回折面」、他方の面４ｂには図示の如く「アナモフィック面」が形成されている。
アナモフィック光学素子４の上方の図（ｃ）は、アナモフィック光学素子４の「主走査方向と光軸方向とに平行な仮想的切断端面」における端面図であり、左側の図（ｂ）は、アナモフィック光学素子４の「副走査方向と光軸とに平行な仮想的切断端面」における端面図である。これら端面図に示されたように、片面は回折部パワーと屈折部パワーの総合パワーが０であるマルチステップ形状をした楕円状の溝として構成された回折面、他方の面はアナモフィック面を有するレンズになっている。

光源側からアナモフィック光学素子４に入射する光ビーム（平行光ビーム）は、アナモフィック光学素子４を透過すると、主走査方向には平行で、副走査方向には集束するビーム形態となる。
回折面のパワーは、温度変動に起因する、主走査方向および副走査方向のビームウェスト位置変化を略０とするように設定される。
次に、回折面をマルチステップ形状とすることのメリットについて説明する。
上記のようにしてパワーを設定された回折面は、一般に様々な形状をとりうるが、先にも述べたように、回折面の形成には微細加工の技術が必要である。更に、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亘り発生する。
また、このような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回折面ですらその計測には困難を伴い、高い品質の回折面が得られていないのが実情である。

そこで、本発明の回折面は、階段構造でかつほぼノンパワーとすることを最大の特徴としている。階段構造とするためには、回折面の「回折部」のパワーと「屈折部」のパワーを、絶対値が等しく異符号のものとすればよい。このとき得られる回折面は必然的に階段構造となる。このような構造を取ると、回折面とバックカットの関係はどこでもほぼ直角となり、計測が容易になるばかりでなく、加工も非常にしやすいという利点がある。
更に、得られた回折面はノンパワーであるから、反対側の面に対する面間偏心があってもそれによる影響が極めて少ないため、加工精度に対する要求も抑えることが可能となる。
また、レンズそのもののパワーは入射面と射出面のパワーの合成として与えられるが、一方の面がノンパワーでも反対側のパワーを適切に設定することで、所望のレンズパワーを得ることができる。従って、このような階段構造の回折面は、いかなるパワーのレンズにも採用することができるのである。

もちろん、回折面の面精度も局所的に非平面であるところがないため、非常に滑らかに仕上げることができ、散乱光の発生やビームスポット径太りの発生も殆どない。
さらに、この階段構造の回折面を、マルチビーム光源を用いた光走査装置に展開した場合には、この光学素子による光軸方向の回転による、被走査面上の走査線ピッチの変動が起こりにくい、というメリットもある。

実施例を説明する前に、本発明の技術思想を適用しない比較例を説明する。比較例としての光学系の各要素は以下の如くである。
［光源］
光源である半導体レーザ１は設計上の発光波長：６５５ｎｍで、標準温度：２５℃に対して温度が１℃上昇すると、発光波長が０．２ｎｍ、長波長側へずれる。
［カップリングレンズ］
カップリングレンズ２は、上記ガラス１を材料とするガラスレンズであり、焦点距離：２７ｍｍでコリメート作用を有するように、前側主点が半導体レーザ１の発光部から２７ｍｍはなれた位置に位置するように配置される。カップリングレンズ２には非球面が用いられ、コリメートされた光ビームの波面収差を非球面により十分に補正している。
半導体レーザ１とカップリングレンズ２とは、線膨張係数：２．１×１０^−５の材質による保持部材に固定的に保持されている。
［アパーチュア］
アパーチュア３は、主走査方向の開口径：８．１４ｍｍ、副走査方向の開口径：２．９６ｍｍの「長方形形状の開口」を有し、カップリングレンズ２によりコリメートされた光ビームをビーム整形する。
［アナモフィック光学素子］
アナモフィック光学素子４は、入射側面が「回折部パワーと屈折部パワーの総合パワーが０であるマルチステップ形状をした楕円状の溝として構成された回折面」で、射出側面は「アナモフィック面」を形成したものである。
回折面は、主走査方向・副走査方向ともに、以下の２次の位相関数：ｗ
ｗ＝Ｃ_ｙ・ｙ^２＋Ｃ_ｚ・ｚ^２
で表されるものである。Ｙは光軸を原点とする主走査方向の座標、Ｚは光軸を原点とする副走査方向の座標で、係数：Ｃ_ｙ、Ｃ_ｚは、Ｃ_ｙ＝２．０２×１０^−３、Ｃ_ｚ＝１．７１５×１０^−２である。
［光偏向器］
光偏向器のポリゴンミラー５は反射面数：５面で内接円半径：１８ｍｍのものである。
アナモフィック光学素子４の射出側面と、ポリゴンミラー５の回転軸との距離は、図１の配置で「左右方向の距離：ｘ」、「上下方向の距離：ｙ」が、ｘ＝８２．９７ｍｍ、ｙ＝１１２．７７ｍｍに設定されている。
防音ガラスＧ１はガラス１を材質とし、厚さ：１．９ｍｍで、上記ｙ方向（図の上下方向）からの傾き角：αは１６度である。
また、光源側から入射する光ビームの進行方向と、偏向反射面により「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」のなす角：θは５８度である。
表７に、上に述べたところを示す。

上の表記に於いて、Ｒ_ｍは主走査方向の曲率半径、Ｒ_ｓは副走査方向の曲率半径、Ｌは面間隔で、単位はｍｍである。
このときの２５℃における４５℃のビームウェスト位置変化量は、
主走査方向：−０．０４ｍｍ
副走査方向：０．１１ｍｍ
であり、主走査方向、副走査方向ともに良好に補正されていることが分かる。しかし、このときの楕円率は、
楕円率＝０．１２
となり、このような回折面の加工は以下のような理由により極めて困難である。一般に回折面の加工（型製作上の加工）は、図６に示すように、金駒と呼ばれる金属型１００をバイト１０１で設計上の回折面の寸法に沿って切削することによりなされ、加工された型に樹脂やガラスを流し込むことにより光学素子の回折面を得ることができる。
このため、工具（バイト１０１）の切れ刃以外の箇所の干渉が生じやすく、その分工具を細める工夫が必要で、工具自体の強度確保が困難である。
加工機へ高い応答速度を要求することとなり、精度とのトレードオフが生じやすく精度の確保が困難である。

一般的に、なぜこのような楕円率になるのか、について若干補足する。
通常の光学設計において、温度変動によるビームウェスト位置変化については、副走査方向よりも主走査方向を重視して行われる。これは、各々の結像横倍率が一桁程度異なる上、ビームウェスト位置変化量はその２乗に比例して発生するため、温度変動に極めて敏感な主走査方向に注目してそれを補正するような設計を行った方が、光走査装置全体の安定性を確保しやすくなるからである。
特に、光走査装置を構成する光学素子の中で最もパワーが大きいのが光学素子１としてのカップリングレンズであり、そのため光源１としての半導体レーザとカップリングレンズの間隔の温度変動による変化が、主走査方向のビームウェスト位置変化に大きく寄与する。
ところで、温度が上昇した場合には、上述したように全体的なパワーは低下する傾向になり、この分のビームウェスト位置変化は、被走査面から見て、光偏向器から離れる側に発生する。一方、半導体レーザとカップリングレンズの間隔は膨張によって広がるので、この分のビームウェスト位置変化は、被走査面から見て、光偏向器に近づく側に発生する。

つまり、半導体レーザとカップリングレンズの間隔の広がりを適切に設定することで、パワー低減によるビームウェスト位置変化を相殺することが可能である。これは、半導体レーザとカップリングレンズを固定する材質の線膨張係数を適切に設定することを意味する。
しかし、理想的な線膨張係数の材質が常に存在するとは言えない。また、あったとしても非常に高価で実用的ではない場合もありうる。そこで、一般には、理想的な線膨張係数に近く、実用的或いは汎用的な樹脂材料を選択して用い、その差分によって発生する主走査方向のビームウェスト位置変化は無視するか、回折面などの導入で補正するようなことが行われる。
従って、回折面における主走査方向の回折部のパワーは比較的小さいことになり、これを楕円として形成すると必然的に楕円率が小さくなるのである。
本発明は、この設計のプロセスを逆転させたものである。すなわち、主走査方向の温度変動によるビームウェスト位置変化を補正するためには、
（１）光走査装置を構成する光学素子全体の屈折パワー変化によるビームウェスト位置変化
（２）半導体レーザとカップリングレンズの間隔の伸縮によるビームウェスト位置変化
（３）回折面における回折部のパワー変化によるビームウェスト位置変化
のバランスを取りさえすればいいので、（１）と（２）のバランスを先に考慮して、その差分を（３）で補正するという従来の設計プロセスではなく、（１）〜（３）を総合的にバランスさせることで、加工しやすい回折面の形状をある程度想定して設計を行うのである。
換言すれば、ビームウェスト位置変化の補正に対する回折光学素子のウェートを高めて回折面の楕円形状における楕円率が小さくなることを回避するというものである。
本実施形態では、実際の加工精度との関係から、楕円率を０．１５以上とすることを目標としている。

このように設計した実施例を以下にいくつか説明する。
［実施例１］
半導体レーザ１とカップリングレンズ２とは、線膨張係数：１．０×１０^−５の材質による保持部材に固定的に保持されている。
アナモフィック光学素子４の回折面の係数：Ｃ_ｙ、Ｃ_ｚは、Ｃ_ｙ＝２．９５×１０^−３、Ｃ_ｚ＝１．７４７×１０^−２である。
このときの２５℃における４５℃のビームウェスト位置変化量は、
主走査方向：−０．０３ｍｍ
副走査方向：−０．１３ｍｍ
であり、主走査方向、副走査方向ともに、良好に補正されていることが分かる。このときの楕円率は、
楕円率＝０．１６９
となり、このとき回折面の加工は比較的容易に行える。
この加工容易性は、回折面の精度向上につながり、回折機能の品質維持に寄与する。
この本発明の「回折面の楕円形状における楕円率を増大させる思想」は回折光学素子の材質（ガラス、樹脂）を問わず適用でき、回折光学素子を樹脂で成形した場合には低コスト化が同時にもたらされる。

ここで、本実施例でのビームウェスト位置の許容量について述べる。
図３、４は、横軸をデフォーカス量（感光体からの光軸方向に沿ったズレ量）、縦軸をビームスポット径にとったときのグラフを示す。図３は主走査方向、図４は副走査方向でのグラフである。
本光学系のビームスポット径の狙いは７０μｍ×９０μｍである。一般にはビームスポット径の変動許容量は、狙いの値の±１０％程度と考えられており、この場合には、主走査、副走査方向ともに±１０μｍとして設定している。
従って、ビームウェスト位置（ビームスポットの最小値の位置）の許容変動量は、主走査方向で約６ｍｍ、副走査方向で約１３．５ｍｍである。
実際は、ビームスポット径が太るのは、ビームウェスト位置変動によるものだけではなく、波面の乱れによる波動光学的要因によるものがあるので、ビームウェスト位置の許容変動量はこれよりももっと小さい値になる。

ビームウェスト位置変動を引き起こす要因としては、部品の加工誤差、取付誤差によるものと、温度変動によるものに大別される。このうち、部品の加工誤差、取付誤差によるものは、主走査方向で約５ｍｍ、副走査方向で約８ｍｍ発生する。この量は、当然各々の誤差許容量を厳しく設定すれば、ビームウェスト位置変動量をもっと低減させることは可能であるが、それはコストの増大をもたらす。
以上のことから、温度変動によるビームウェスト位置の許容量は、主走査方向で１ｍｍ以下、副走査方向で６．５ｍｍ以下である。これを基準にビームウェスト位置変化量についての補正の良否を判断している（比較例において同じ）。
この許容量は以外に大きいように思えるが、走査光学系を１枚で構成するようなタイプでは特に副走査方向の横倍率が大きくなる傾向にあり、温度変動による副走査方向のビームウェスト位置変動量は非常に大きい。例えば、本実施例で、もし回折光学素子がなく、従来のガラスレンズで代用した場合、主走査方向で約１ｍｍ、副走査方向で約１２ｍｍであり、ビームスポット径は破綻している。
また逆に、温度変動によるビームウェスト位置変動量をできる限り抑えておけば、その分を部品の加工誤差、取付誤差に割り付けることが可能になり、生産性の向上をもたらすことになる。

［実施例２］
半導体レーザ１とカップリングレンズ２とは、線膨張係数：５．０×１０^−６の材質による保持部材に固定的に保持されている。
アナモフィック光学素子４の回折面の係数：Ｃ_ｙ、Ｃ_ｚは、Ｃ_ｙ＝３．３８×１０^−３、Ｃ_ｚ＝１．７５８×１０^−２である。
このときの２５℃における４５℃のビームウェスト位置変化量は、
主走査方向：−０．０３ｍｍ
副走査方向：０．１ｍｍ
であり、主走査方向、副走査方向ともに、良好に補正されていることが分かる。このときの楕円率は、
楕円率＝０．１９２
となり、実施例１よりも更に加工は容易となっている。

［実施例３］
楕円率は、カップリングレンズを樹脂化するだけで更に大きく設定することができるようになる。
具体的に、カップリングレンズの材質を表１における樹脂１とし、焦点距離：３５．０６ｍｍでコリメート作用を有するように、前側主点が半導体レーザ１の発光部から３５．０６ｍｍはなれた位置に位置するように配置し、半導体レーザ１とカップリングレンズ２とは、線膨張係数：５．０×１０^−５の材質による保持部材に固定的に保持されているとする。
このとき、アナモフィック光学素子４の回折面の係数：Ｃ_ｙ、Ｃ_ｚは、Ｃ_ｙ＝７．８×１０^−３、Ｃ_ｚ＝１．５５×１０^−２である。
このときの２５℃における４５℃のビームウェスト位置変化量は、
主走査方向：０．０２ｍｍ
副走査方向：０．１ｍｍ
であり、主走査方向、副走査方向ともに、良好に補正されていることが分かる。このときの楕円率は、
楕円率＝０．５
となり、実施例２よりも更に加工は容易となっている。

［実施例４］
実施例３において、線膨張係数：５．０×１０^−６の材質による保持部材に変更する。
このとき、アナモフィック光学素子４の回折面の係数：Ｃ_ｙ、Ｃ_ｚは、Ｃ_ｙ＝９．３５×１０^−３、Ｃ_ｚ＝１．７１×１０^−２である。
このときの２５℃における４５℃のビームウェスト位置変化量は、
主走査方向：−０．０３ｍｍ
副走査方向：０．０４ｍｍ
であり、主走査方向、副走査方向ともに、良好に補正されていることが分かる。このときの楕円率は、
楕円率＝０．５５
となり、実施例３よりも更に加工は容易となっている。

［実施例５］
以上は、光学素子１と光学素子２を独立なものとして扱った光走査装置の例を示したが、この２つの光学素子を一体化させてもよい。すなわち、この一体化光学素子は、半導体レーザから放射された発散性の光ビームを主走査方向には実質的な平行光ビームに変換し、副走査方向には防音ガラス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」として結像するように集束する機能を有する。
この場合、一体化した素子を樹脂で成形してもよい。

図５に、上記光走査装置を有する画像形成装置の一例（第２の実施形態）を示す。
この画像形成装置は「タンデム型フルカラー光プリンタ」である。
装置下部側には、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（図示せず）を搬送する搬送ベルト３２が設けられている。
搬送ベルト３２の上部には、複数の像担持体として、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が上流側から順に等間隔で配設されている。なお、以下において、符号中の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、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を各色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。
これら光走査装置は、それぞれが図１に示したような光学配置を有するものを独立に用いることもできるし、例えば、特開２００４−２８００５６号公報等により、従来から知られたもののように、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。
搬送ベルト３２の周囲には、感光体７Ｙよりも上流側に位置させてレジストローラ対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。

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、各感光体７Ｙ、７Ｍ、７Ｃ、７Ｋ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による光走査で静電潜像が形成される。これら静電潜像は対応する色トナーで現像されてトナー画像となり、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、定着装置１４によりフルカラー画像として定着された後、排紙トレイ１５上に排紙される。
かかる画像形成装置に、実施例で説明した光走査装置を用いることにより、常に安定したビームスポット径を得ることができ、高精細な印字に適した画像形成装置をコンパクトで且つ安価に実現できる。

光走査装置の光学配置を示す概要平面図である。 アナモフィック光学素子を説明するための図である。 横軸をデフォーカス量、縦軸をビームスポット径にとったときの主走査方向におけるグラフである。 横軸をデフォーカス量、縦軸をビームスポット径にとったときの副走査方向におけるグラフである。 画像形成装置の概要構成図である。 金属型上における回折面の加工例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 光源としての半導体レーザ
２ は光学素子１としてのカップリングレンズ
４ 光学素子２としての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 光学素子３としての走査光学系
７Ｙ、７Ｍ、７Ｃ、７Ｋ 像担持体としての感光体
８ 被走査面
５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｋ 光走査装置

Claims (11)

1. 光源からの光ビームを所望のビーム形態の光ビームに変換する光学素子１と、
   該光ビームを光偏向器に導光する光学素子２と、
   上記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、該被走査面を光走査する光学素子３と、
   を備えた光走査装置において、
   上記光源と上記光学素子１は同一の連続した部材によって固定されており、
   上記光学素子１、２のうち１つは回折光学素子であり、
   上記回折光学素子は、その回折部パワーが光走査装置内部の温度変化に起因する主走査方向および副走査方向のビームウェスト位置の変動を略０とするように設定された楕円形状の溝を有しており、
   上記光源と上記光学素子１を固定している部材の線膨張係数を、上記楕円形状の楕円率を増大させるように設定した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、
   上記回折光学素子の回折面と反対側の面は、アナモフィックな屈折面であることを特徴とする光走査装置。
3. 請求項１又は２記載の光走査装置において、
   上記回折光学素子の回折面は、その回折部パワーと屈折部パワーの総合パワーが０であるマルチステップ形状をしていることを特徴とする光走査装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の光走査装置において、
   上記回折光学素子は、上記光学素子２として採用されていることを特徴とする光走査装置。
5. 請求項４記載の光走査装置において、
   上記光学素子２は、樹脂で成形されていることを特徴とする光走査装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の光走査装置において、
   上記光学素子１は、樹脂で成形されていることを特徴とする光走査装置。
7. 請求項１記載の光走査装置において、
   上記光学素子１が回折光学素子であり、且つ、上記光学素子１が上記光学素子２の機能を兼ねていることを特徴とする光走査装置。
8. 請求項７記載の光走査装置において、
   上記光学素子１の回折面と反対側の面は、アナモフィックな屈折面であることを特徴とする光走査装置。
9. 請求項７、８記載の光走査装置において、
   上記光学素子１の回折面は、その回折部パワーと屈折部パワーの総合パワーが０であるマルチステップ形状をしていることを特徴とする光走査装置。
10. 請求項７〜９のいずれか１つに記載の光走査装置において、
    上記光学素子１は、樹脂で成形されていることを特徴とする光走査装置。
11. 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１以上有する画像形成装置において、
    上記光走査手段として、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光走査装置を１つ用いたことを特徴とする画像形成装置。

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