JP2009300679A - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全光束に回折面の効果をもたらすことが可能な回折レンズを備える光走査装置及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】光束を射出する光源と、光束を後続の光学系にカップリングするカップリングレンズと、カップリングレンズから射出する光束を成形するアパーチャと、光束を主走査方向に偏向する光偏向手段と、カップリング光学系より射出される光束を光偏向手段へ導き、主走査方向に長い線像として光偏向面に集光する単一の線像形成レンズと、を備える入射光学系と、光偏向手段によって偏向された光束を被走査面上に結像する走査レンズ系と、を備え、線像形成レンズの回折面のバックカットの成す形状は入れ子状の楕円群から成り、楕円群は中心を共有し、すべて閉じた楕円から成り、楕円群の最外楕円は、式１（主走査方向：Ltanθm +Ay、副走査方向：Ltanθs +Az）で表される矩形を包含する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置及び画像形成装置に関し、特に楕円状回折レンズを用いる光走査装置及び画像形成装置に関する。

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光走査装置が広く用いられているが、近年は特に、低価格化、および環境変動の影響を受け難く画質も良い高安定・高精細・高速であることに対応できる光走査装置が求められている。

高安定・低価格化・部品点数低減を実現する方法の１つとして、回折レンズの導入が有効であると言われている（特許文献１、２参照）。回折レンズは、高精度微細加工技術の進歩に伴い、様々な光学系において用いられるようになった。光走査装置への回折レンズの搭載は、少ない部品で高機能・多機能を実現できるため、光学特性の高精度化はもとより光走査装置の小型化にも大きな効果をもたらす。また、回折面の強い負分散特性を利用した温度補償機能は、光走査装置の温度変動に伴う光源波長の変化により光学特性の劣化を補正できるため、光走査装置の小型化とともに光学特性の高安定を実現する。特にレーザプリンタ等に用いられる光走査装置は、光偏向器による走査方向（主走査方向）とそれに垂直な方向（副走査方向）に関してそれぞれ横倍率の異なる、所謂アナモフィックな光学系が一般的に用いられている。そのため、上記温度補償機能を１つの回折レンズに設けることを考えると、その回折面形状は主走査方向と副走査方向で形状が異なるものになる。最も基本的な主副温度補償用単一回折面の姿として想定されるのは、主走査方向を長軸・副走査方向を短軸とした、バックカット形状が楕円状の回折面である。

高速化という課題に関しては、１つの光走査装置において複数の光束が走査を行う、所謂「マルチビーム方式」が知られている（特許文献３参照）。この場合、複数の光束が共通の光学素子により結像されるため、全光束に関して結像性能を確保するために様々な工夫が試みられている。マルチビーム方式の光走査装置に対して上記の楕円状回折レンズを適用することを考えた場合、最低限満足しなければならない条件として「全光束がケラレることなく回折面に入射し、ひとしく回折面の効果がもたらされること」がある。
特開２００７−２４８９７７号公報 特開２００７−２９８６８５号公報 特開２００７−１１４５１５号公報

しかしながら、入射する光束が多いからと言ってみだりに回折面の範囲を広げると、入れ子状の楕円間のピッチは外側であるほど狭くなり、同時に段数も増えて加工が困難になっていくと共に、回折効率の低下も懸念される。また一方で、同心楕円群を有効範囲で切り取った、「アパーチャの相似形に同心楕円を詰め込んだ形状の有効範囲」とすると、有効範囲の四隅や端部で「開いた楕円」が存在することになり、加工の難易度が飛躍してしまう。上述した技術ではマルチビーム方式と楕円状の回折レンズが構成要件に含まれているが、回折レンズの楕円の最外輪帯に関する考慮はなされていない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、有限の径を持つ単一のアパーチャによって整形される単数／複数の光束が入射する楕円状回折レンズを容易に加工し、全光束に回折面の効果をもたらすことを目的とする。

本発明に係る光走査装置は、単数／複数の発光点を有し、単数／複数の光束を射出する光源と、前記単数／複数の光束を後続の光学系にカップリングするカップリングレンズと、前記カップリングレンズから射出する光束を成形するアパーチャと、前記単数／複数の光束を主走査方向に偏向する光偏向手段と、カップリング光学系より射出される単数／複数の光束を前記光偏向手段へ導き、主走査方向に長い線像として光偏向面に集光する単一の線像形成レンズと、を備える入射光学系と、前記光偏向手段によって偏向された単数／複数の光束を被走査面上に結像する単一／複数の走査レンズ系と、を備え、前記線像形成レンズは回折面を有し、前記回折面のバックカットの成す形状は入れ子状の楕円群から成り、前記楕円群は中心を共有し、すべて閉じた楕円から成り、前記楕円群の最外楕円は、下記式１で表される矩形を包含することを特徴とする光走査装置である。
（式１）
主走査方向：Ltanθm +Ay
副走査方向：Ltanθs +Az
L：アハ゜ーチャ-線像形成レンズ入射面間距離
θm・θs：主／副走査断面内での、アパーチャを通過する全光束がアパーチャ開口部中心を通る法線と対する角度の最大値
Ay：アパーチャの主走査方向径
Az：アパーチャの副走査方向径

本発明に係る画像形成装置は、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、前記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、前記光走査装置は、上記本発明に係る光走査装置であることを特徴とする画像形成装置である。

本発明によれば、有限の径を持つ単一のアパーチャによって整形される単数／複数の光束が入射する楕円状回折レンズを容易に加工し、全光束に回折面の効果をもたらすことができる。

以下に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な実施形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

本明細書で言う「回折レンズ」とは、位相関数が２次以上の多項式で表され、段差が光の位相差をもたらす回折光学素子を指す。すなわち一般的な屈折レンズと同様パワーを有する。形態としては表面の微細な構造等で実現されるが、フレネルレンズに代表されるレリーフ型や、多段階段状のマルチステップ型などがある。本発明に係る実施形態においては、レリーフ型であってもマルチステップ型であっても良い。

以下、本発明の実施形態に係る光走査装置について説明する。図１は本実施形態に係る光走査装置の要部の光学系概略構成を示す主走査方向断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る光走査装置の要部は、光源（半導体レーザアレイ）１、カップリングレンズ２、アパーチャ３、線像形成光学系である回折レンズ４から構成される。本実施形態の特徴となる回折レンズ４については後述する。

［入射光学系］
図１に示すように、半導体レーザアレイである光源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。本実施形態においては、２つの発光点が中心線から両側に15μm離れて配置された（＝発光点間ピッチ30μm）、半導体レーザアレイを想定する。

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際、光束周辺部を遮断されて整形され、線像形成光学系である回折レンズ４に入射する。回折レンズ４は、入射してくる光束を副走査方向に集束させ、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。回折レンズ４は走査光学系の変動を補正するパワーを持たせている。

また入射光学系は、レイアウトの要請からミラーなどにより屈曲させられていても良い。

本実施形態では、複数の発光点をもつ半導体レーザアレイを例にしているが、単一の発光点を持つ半導体レーザ素子であっても良い。

［筐体］
図２は、本実施形態に係る光走査装置の光学系概略構成を示す斜視図である。第１筐体１４及び第２筐体１５から成る２体構成をしている。なお、防音ガラス１２、光偏向器とその他の部分を分かつ壁面１７は、目的に応じて設置すればよく、いずれにしても本実施形態の効果を得ることができる。

カップリングレンズ２、回折レンズ４、走査レンズ６のいずれかはUV硬化樹脂に代表される接着剤を必要箇所に塗布され、冶具等で位置決めされた後UV照射等の方法で固定され、組付けられる。この組付けを実施する際、第１筐体から発せられる光束１６をモニタリングし、それをフィードバックすることで接着剤硬化前の光学素子の位置と姿勢を調整し、ピントずれ、位置ズレを吸収することができる。調整後、第１筐体は第２筐体に組み込まれる。第１筐体と第２筐体の結合方式に関しては、上記調整が可能であればこの限りではない。

［走査光学系〜被走査面］
図３は、本実施形態に係る光走査装置の光学系概略図を示す斜視図である。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、走査光学系をなす走査レンズ系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上にビームスポットとして集光し、被走査面を光走査する。図３において、走査レンズ系６は一例として２枚構成としているだけであり、走査レンズの枚数は特にこれに限定することは無い。偏向光束は感光体８の光走査に先立って同期ミラー９により反射され、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の出力に基づき、光走査の書込開始タイミングが決定される。

［硝材］
本実施形態において用いるガラス材料および樹脂材料の材質データの一例を下記表１に示す。

上記表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。

次に、図１に示した本実施形態に係る光走査装置の要部の光学系を構成する光源（半導体レーザアレイ）１、カップリングレンズ２、アパーチャ３、回折レンズ４について詳述する。

［光源］
光源である半導体レーザアレイ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。なお、１つの走査光学系に対して入射光学系が複数存在する場合であっても、本実施形態の本質は光源、カップリングレンズ、アパーチャ、線像形成レンズの４者に関するものであるため問題とならない。

［カップリングレンズ］
本実施形態に係るカップリングレンズ２は、上記表１に示すガラスの材質で成形されたガラスモールド製レンズであり、焦点距離は約27mmで、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。なお、弱い発散・弱い収束光であってもよい。カップリングレンズ２は非球面が用いられている。非球面係数は特に開示しないが、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。

半導体レーザアレイ１とカップリングレンズ２とは、線膨張係数：2.3×10−5の材質より成る第１筐体１４の壁面に組みつけられる。

カップリング光学系周辺は、図２に示すような構成をしている。半導体レーザアレイ１は第１筐体１４の壁面の孔に圧入され、カップリングレンズ２は、第１筐体１４の壁面に調整の後接着剤で接着されている。アパーチャ３は、第１筐体１４と一体化していても、素子として組みつけられていても良い。

ここで、各部品・素子のもつ形状精度には限界があるため、光走査装置の組付けにおいては、光学素子を精度良く組付ける技術も必須である。例えば、本実施形態に係る光走査装置の光学特性を随時フィードバックしながら光学素子の位置に関する微妙な調整を行い、部品・素子のもつ誤差を最低限に抑えて組付けることが考え得る。特に部品・素子が樹脂材料で製造されている場合、形状精度がガラス・金属等に比べ劣っているため、フィードバックしながら調整することは有効である。かかる調整は、入射光学系の各光学素子の光軸を合わせることもできるため、好ましい。

上記調整組付け時にフィードバックする光学特性は、なるべく光走査装置全体のものであることが望ましい。例えば光源とカップリング光学系のみでカップリングレンズの調整組付けを行う場合、その調整組付けが済んでしまえばその後の光学系の誤差は吸収できないことになる。本実施形態によれば、光学特性、特にピント位置ズレに関して影響する光学素子を第１筐体１４にまとめた構成とすることにより、第１筐体１４の光学特性をフィードバックした調整組付けを可能とし、光学特性に現れる誤差の影響を最低限に抑えて光走査装置を製造することができ、生産上好適である。また、第１筐体と第２筐体とに分けた構成とすることで、第１筐体を光学特性を司るユニットとして共通とし（図２参照）、第２筐体は被走査面のレイアウトに応じて選択する、といったユニット共通化が図れ、様々な光走査装置が構成可能となる。第１筐体の共通化は、多種の光走査装置を展開する際に低価格化の効果がある。

［アパーチャ］
アパーチャ３は主走査方向5.25mm(=Ay)、副走査方向1.34mm(=Az)の矩形開口である。上述したように、第１筐体１４と一体化していても、素子として組みつけられていても構わない。

［回折レンズ］
本実施形態の特徴となる回折レンズについて詳述する。本実施形態は、複数の光束が単一の回折レンズに入射する「マルチビーム方式」を一例として説明するが、光束が単一である「シングルビーム方式」であっても良い。シングルビーム方式における回折レンズの場合であっても、後述するアパーチャ径Ay,Azを包含する最外楕円であれば全光束が回折面の効果を得ることができるため、下記説明する条件を満たしていれば本発明の効果は同等に得られる。

［マルチビーム方式における、回折レンズの最外輪帯が満たすべき条件］
「最外楕円」とは、閉じた同心楕円群から成る回折面において、最も外側の楕円を指す。最外楕円の形状がそのまま回折面形状の範囲を決定する。

なおマルチビーム方式の場合、回折面にはアパーチャで整形された複数の光束が入射するため、回折面はそれら全てを包含しなければならない。複数の光束が等しくアパーチャ３による整形を受けるために、カップリングレンズ２の後側焦点位置付近にアパーチャ３を設置する必要がある。また、アパーチャ３から射出した光束が、線像形成レンズによりそれぞれ略平行に光偏向器へ導かれるために、アパーチャ３は線像形成レンズの前側焦点位置付近に設置される必要がある。従って、あるピッチで並んだ発光点から複数の光束が平行に射出される光源を用いたマルチビーム方式を選択した時点で、光学的な要請からカップリングレンズ２、アパーチャ３、線像形成レンズ（回折レンズ４）の大まかな相対位置関係は図１のように決定される。便宜上図１はアパーチャ３がカップリングレンズ２の後側焦点位置及び線像形成レンズの前側焦点位置に置かれた場合の光線を描写している。

あるピッチで並んだ発光点の光路が回折面上でどのような配置として映し出されるか、又はある径のアパーチャを通過した光束が回折面状でどのような形状で映し出されるか、については、カップリングレンズと線像形成レンズの配置とアパーチャ径から大まかに幾何光学的な見積ができる。

図６は、本実施形態に係る光軸１を調整することを説明するための図である。図６に示すように、発光点のピッチは、像面でのピッチを調整するために光軸（光源の中心線）に対してローテーション調整を行うことがある。しかし主／副走査方向に対して発光点ピッチの最大値は常にpであるため、回折レンズの有効範囲（光束通過範囲）の確保はpを用いて考えればよい。ローテーションも含めて考えると、発光点から射出する光線は、複数の光束間ピッチの最大値（即ち最も中心線から外側にある発光点同士の距離）pを直径とする円状の領域内1aを伝播することになる。

ここで図１に戻ると、ピッチpを以ってカップリングレンズ１に入射した複数の光束は、図１に示された基本的な入射光学系配置に従い、ある横倍率βで拡大されたピッチpβを以って回折レンズ4に入射する。

図７は本実施形態に係るアパーチャ形状が矩形である場合、楕円形である場合を示す図である。アパーチャ形状は、光走査装置に求められるビームスポット径と走査レンズ系に依存して決まるが、図７に示すように矩形や楕円形であってもよい。一般的には主／副走査方向で範囲の異なる開口が用いられることが多い。

ここで主／副走査方向に平行な方向の開口範囲をAy,Azとしている。上記アパーチャを用いている場合、主／副走査方向において開口範囲が異なる(Ay=Az)ため、図１の位置関係によって幾何光学的に推測できる「回折面状の全光束通過範囲＝有効範囲」は主／副走査方向に対してそれぞれの長さを持った形状となる。

回折レンズ４に入射する全光束の範囲は、上記の前提を踏まえた上で、次の要領で決定できる。全光束の光路到達範囲は「1aをβで拡大した範囲＝pβ」となり、各光路はアパーチャ径で規定される広がりを持っているので、主／副走査方向に関してAy、Azが加算される。従って、主／副走査方向に関してpβ+Ay, pβ+Az,から成る矩形範囲が、「全光束がケラレなく回折面を通過できる」最低限の回折面の範囲となる。

アパーチャの開口形状が楕円や円である場合であっても上記は成立し、矩形範囲を確保しておけば包含される。図８の灰色領域が楕円になった場合を考慮すれば明白である。

以上の条件を一般的に描写する方法として、アパーチャから射出される単数／複数の光束の進行方向が、アパーチャ開口部中心を通る法線に対してなす角（主走査断面内θm・副走査断面内θs）で表すことが出来る。従って本実施形態に係る楕円群の最外楕円は、下記式１で表される矩形を包含することを特徴とする。

（式１）
主走査方向：Ltanθm +Ay
副走査方向：Ltanθs +Az
L：アハ゜ーチャ-線像形成レンズ入射面間距離
θm・θs：主／副走査断面内での、アパーチャを通過する全光束がアパーチャ開口部中心を通る法線と対する角度の最大値
Ay：アパーチャの主走査方向径
Az：アパーチャの副走査方向径

一方で、楕円状回折面において、全同心楕円は閉じた形状であるのが好ましい。閉じた形状とは、楕円を形成する線が途切れないことを指す。途切れない線のみで構成された光学素子は、成形に用いる鋳型の加工において、切削部材を対象の鋳型から離すことなく各楕円を形成できるため加工難易度が下がり、加工精度の向上が見込まれる。

例えば、本発明の条件を満たさない場合、すなわち最外楕円が上記式１の条件から成る矩形を包含しない場合は、図４に示すように、矩形の有効範囲内の四隅に、楕円の一部分を切り取った「開いた形状」の部分が発生する。このとき光学的に有効範囲が充分なものであっても、すなわち開いた形状が含まれていても光束通過範囲を包含している場合であっても、この回折レンズを成形する鋳型の加工の難易度が飛躍的に上がる。

ここで、上記式１の条件を満たす、即ちLtanθm +Ay , Ltanθs +Az,から成る矩形範囲に外接する、あるいはそれ以上に大きいような最外楕円を持つ回折面とすることで、回折面を形成する楕円は全て閉じた形状とすることができる。

なお、実際はレイアウトの要請等により図１の位置関係からわずかに離れた構成となったり、組付け時の誤差により図８の形態の厳密性は損なわれたりするが、本実施形態で説明した内容は「光学的な要請と加工上の要請」を両立する最低限の条件であり、回折面の有効範囲設定及び回折レンズの実際の加工に関して示唆を与えるものである。

［回折レンズ温度補償機能の説明］
回折レンズは一般に強い負分散特性が知られている。温度上昇時、一般の屈折レンズは膨張及び光源波長の長波長化による材料分散の影響を受けて光学系全体の焦点距離が長くなり、ピントずれとして観測される。特に樹脂材料を用いている場合は膨張量が大きく、ピントずれは極めて大きいものとなる。これに対して回折レンズは光源波長の長波長化に対し、焦点距離を短くするという特性（負分散特性）をもつ。この特性を用いて温度上昇時のピントずれを補償するような回折面を形成すれば、温度変動に対してロバストナー光学系を実現することができる。

特に、温度上昇時のピントずれの主要因は、樹脂製で最も厚い有限焦点距離の光学素子である走査レンズであることが多い。すなわち、温度補償が成立している光走査装置においては、走査レンズの膨張によるピントずれと回折レンズによる補正パワーが釣り合わされている。

回折レンズが有する回折面は、屈折面の面形状を適切な段差、ピッチで折り返した形状であり、先述の通り屈折面と同じくパワーを有する。面の形状とパワーは、回折部のものと屈折部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。

本実施形態に係る回折面の面形状は、図５に示すようなマルチステップ形状であることを特徴とすることが好ましい。マルチステップ形状は、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。鋸歯状の回折面よりも成形上の簡便性が更に向上する。光学的にはノンパワーの面と等価であり、偏心に対して光学性能が劣化しにくくなり、部品・組付誤差に対してもロバストナー光走査装置を実現できる。マルチステップ形状は、凹面の屈折面、凸面の回折面を組み合わせた形として理解できる。

［回折レンズ４の実施例］
本実施形態に係る回折レンズ４について、一例として、入射面に副走査方向に曲率をもつ曲率半径37.1mmのシリンドリカル面、射出面にマルチステップ形状の回折面をもつ、肉厚1.9mmの樹脂製回折レンズとして説明する。

マルチステップ形状の回折面は、バックカットにより分割された光軸に垂直な無数の領域から成る。光軸方向に沿って回折面を見たとき、回折面の入れ子状の楕円群となる。また、回折レンズ4は、副走査方向に関して焦点距離約70mmである。

マルチステップ形状は、図５に示すように屈折レンズ形状を折り返したフレネルレンズ型の「回折部」と「屈折部」を組み合わせた形状として実現される。このとき「回折部」と「屈折部」は同じパワーを有しており、マルチステップ形状において、段差で区切られる各領域は光軸に対して垂直な面となる。マルチステップ形状とすることで、加工成形の容易性、偏心に対するロバスト性が向上する。

マルチステップ形状に内在する「回折部」のパワーが、波長変動時の負分散によるパワー変動の大きさに相当し、マルチステップ形状で言う段数に相当する。本実施形態のマルチステップ形状は、「屈折部」の曲率半径R＝主270mm／副10.8mmの凹アナモフィック面に、それを正負反転した凸アナモフィック面「回折部」を重ね合わせることにより、一段約1.2μmの83段の階段形状をもつ、幾何光学的にパワーをもたない面となっている。

段差の約1.2μmは、655nmの光波に対して2πの位相差を与えるものであり、使用波長に応じて設計するパラメータである。回折面が83段の段差から成っている場合は、光軸方向に沿って回折面を見たとき83個の同心楕円群として観察される。

ここで最外楕円の径を求める。回折面は 2Rで与えられる２次係数をもつ２次関数を段差1.2μmで折り返した形状をしている。主走査を例にとると、R＝270より２次係数は 1/（2×270）＝1.85×10^-3 となる。ここでのマルチステップ面形状は83段なので、最上段から最下段までのデプス量は1.2μm×83＝0.103mmとなる。よって最外楕円の主走査方向の半径をaとすると 0.103mm＝(1.85×10^-3)×a² が成立していることからa=7.5となり、最外楕円の主走査方向の径は7.5×2＝15mmとなる。同様の方法で副走査方向の径は2.98mm。よって本実施形態の楕円は主走査方向に長い楕円の群から成っていることがわかる。

回折面の断面形状に関しては、本実施形態ではマルチステップ面を例に取っているがフレネルレンズ型のレリーフ形状であっても良く、本発明の範囲内となる。なお、マルチステップ形状であると、波長変動後の波面をバックカット位置で表現できるため、段差のない屈折面で同じことを行うよりも容易になるというメリットがある。

２者の違いは以下のようになる。光学系や用途に応じて面形状を設定すれば良い。
・マルチステップ型
温度変動、波長ばらつきがない場合は光学的平面と等価であるが、温度変動により波長が変動したり、波長がばらついたりした場合に、回折面形状に応じた波面変換作用を持つ。
・フレネルレンズ型
外乱を考慮せずとも設計値の段階で波面変換作用を呈する。

［入射光学系の配置］
上記に述べた入射光学系の光軸上配置が、一例として以下の場合について説明する。
光源の最外発光点間ピッチ：0.03mm
光源〜カップリングレンズ入射面：24.6mm
カップリングレンズ肉厚：3.8mm
カップリングレンズ射出面〜アパーチャ：27.1mm
アパーチャ〜線像形成レンズ入射面：79.9mm=L
線像形成レンズ肉厚：1.9mm
主走査断面内アパーチャ射出角：0.21deg=θm
副走査断面内アパーチャ射出角：0.11deg=θs

以上より主／副それぞれに対して上記式１の条件に適用してみると、
主走査方向：Ltanθm＋Ay=79.9×0.296+5.25＝5.55
副走査方向：Ltanθs＋Az=79.9×0.160+1.34＝1.50

従って、全光束が回折面を通過できる最低限の回折面範囲は主5.55×副1.50mmの矩形であることが明確となる。それに対して先述の最外楕円は主（長径）15×副（短径）2.98mmである。実際にプロットしてみると最外楕円は上記矩形を包含している。本実施形態は、光線のブレを考慮して上記式１の条件に更にマージンを加えて最外楕円を大きめに設定しているが、これは各光走査装置の設計において適宜設定して構わない。実際の設計においては、線像形成レンズの外形寸法が有限となるため最外楕円はどこまでも大きくすることはできない。設計で寸法のバランスを取る際に最低限満たしておくべき条件が上記式１である。

上記実施形態により、上記式１で表される楕円を最外楕円として持つ同心楕円群から成る回折レンズは、互いに異なる発光点を持つ単一の光源から射出される複数の光束や、単一の発光点を持つ光源から射出される光束に対して、ケラレを発生することなく全光束に回折面の効果をもたらすことができる。また、上記式１を用いれば光学性能の観点で要求される最小の回折面範囲が指定でき、また線像形成レンズ外形内に収まり且つ閉じた楕円のみで回折レンズを構成できるため、加工が非常に容易になる。

また、上記式１で表される楕円を最外楕円として持つ同心楕円群から成る回折レンズは、入射面にシリンドリカル面、射出面に楕円状回折面であることができ、上記式１で表される楕円状回折面は、必然的に最外楕円が回折面の有効範囲を定めるため、回折レンズは入射面が矩形、射出面が楕円状の有効範囲をもつことになる。

また、回折面は、マルチステップ形状とすることで、上記式１の特徴を実現するのに有利な回折面形状となり、常温時はノンパワー面と等価となる。マルチステップ形状は2πの位相差を付与する段差からなる階段状の形状である。また、マルチステップ形状とすることにより、温度変動時にのみ波面収差補正機能が発現する光走査装置を実現することができる。

また、回折面を樹脂から構成し、光学素子に貼り合せられていることで、走査光学系に合わせて回折面を柔軟に変更できる。回折面は特に収差補正に用いられることが多く、すなわち各走査光学系の特徴をフィードバックした回折面設計となるため、回折面のみ可変生産可能な貼りあわせ型とするのが良い。

また、回折面は多数のエッジから成る面であるため、回折面を線像形成レンズの射出面のみに設け、回折面は光源を向かないようにすることで、エッジ反射が光源へ戻り光量制御等のノイズとなるのを避けることが出来る。

［光偏向器と走査光学系］
光偏向器と走査光学系については、本発明の本質とは直接的な関わりが無いため詳述は省略する。上記実施形態に示されているような光走査装置を複数用いることにより、複数の被走査面に同時に光走査を行うことができる構成も可能である。どの構成方法であっても、本発明の効果は同様に得ることができる。

以上のように、本実施形態は、光走査装置の高機能化及び多種の光走査装置の実現に伴う部品点数を低減すると同時に高安定な光走査装置を実現する。そのため光走査装置の生産に関わる材料使用量を削減でき、資源採掘量・プラスチックゴミ排出量に関して環境負荷の低減につながるものである。

［画像形成装置］
次に、本発明の光走査装置を用いた画像形成装置について説明する。感光性の像担持体としては種々のものの使用が可能である。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実施できる。

感光性の像担持体としてはまた光走査の際にビーム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、この場合には、光走査により直接に可視画像を形成できる。

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、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る。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（直接転写方式）しても良いし、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（中間転写方式）するようにしてもよい。

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、本実施形態に係る画像形成装置は、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。

さらに、図９を用いて上述した画像形成装置の一例を示す。図９に示す画像形成装置はレーザプリンタである。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。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はトレイ、符号２０００はシート状記録媒体としての転写紙を示している。

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のレーザ光束ＬＢの光書込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２０００は、その先端部をレジストローラ対１１９１に銜えられる。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２０００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の作用によりトナー画像を静電転写される。トナー画像を転写された転写紙２０００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。

光走査装置１１７１として本発明のごとき光走査装置を用いることにより、良好な画像形成が可能となる。

［多色画像形成装置］
図１０に多色画像形成装置の一例を示す。図１０において、感光体１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｋは矢印の方向に回転し、回転順に帯電器２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋ、現像器４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋ、転写用帯電手段６０Ｙ、６０Ｍ、６０Ｃ、６０Ｋ、クリーニング手段５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｋが配備されている。

帯電部材２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋ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４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋの間の感光体表面に書き込みユニットによりビームが照射され、感光体に静電潜像が形成されるようになっている。そして、静電潜像に基づき、現像部材により感光体面上にトナー像が形成される。さらに、転写用帯電手段６０Ｙ、６０Ｍ、６０Ｃ、６０Ｋにより、記録紙に各色順次転写トナー像が転写され、最終的に定着手段３０により記録試に画像が定着する。

本発明の実施形態に係る位相型光学素子を用いた光走査装置を多色画像形成装置に展開することで、感光体上でのビームスポット径の変動を抑えることができる。従って、出力画像のドット径の変動を抑えることができるため、ドット径の揃った高画質な画像を提供することができる。また、感光体上におけるビームスポット径が安定化するということは、複数あるプロセス制御条件のうちの１つが安定化するということを意味する。従って、プロセス制御頻度を低減することができ、省エネ等の環境不可低減が可能である。

上記説明では多色画像形成装置を例に説明したが、単色の画像形成装置に対しても本発明は適用可能である。

以上、本発明を好適な実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明の実施形態に係る光走査装置の要部の光学系概略構成を示す主走査方向断面図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の光学系概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の光学系概略図を示す斜視図である。 本発明の本実施形態に係る回折レンズ４の矩形の有効範囲内の四隅に、楕円の一部分を切り取った「開いた形状」の部分が発生することを説明するための図である。 本発明の実施形態に係る回折レンズ４の断面図である。 本発明の実施形態に係る光軸１を調整することを説明するための図である。 本発明の実施形態に係る回折レンズの回折面を示す正面図である。 本発明の実施形態に係るアパーチャの開口形状が楕円や円である場合であっても光束を包含できることを説明するための図である。 本発明の実施形態に係る画像形成装置の要部を説明するための概略断面図である。 本発明の実施形態に係る多色画像形成装置の要部を説明するための概略断面図である。

符号の説明

１ 光源（半導体レーザアレイ）
２ カップリングレンズ
３ アパーチャ
４ 回折レンズ
５ ポリゴンミラー
６ 走査レンズ系
７ 折り曲げミラー
８ 感光体
９ 同期ミラー
１０ 同期レンズ
１１ 同期検知部
１４ 第１筐体
１５ 第２筐体
１２ 防音ガラス
１７ 壁面
１６ 光束
１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｋ 感光体
２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋ 帯電器
４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋ 現像器
６０Ｙ、６０Ｍ、６０Ｃ、６０Ｋ 転写用帯電手段
５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｋ クリーニング手段
３０ 定着手段
１０００ レーザプリンタ
１１１０ 像担持体
１１２１ 帯電ローラ
１１３１ 現像装置
１１４１ 転写ローラ
１１５１ クリーニング装置
１１７１ 光走査装置
１１６１ 定着装置
１１８１ カセット
１１９１ レジストローラ対
１２０１ 給紙コロ
１２１１ 搬送路
１２２１ 排紙ローラ対
１２３１ トレイ
２０００ シート状記録媒体（転写紙）

Claims (7)

1. 単数／複数の発光点を有し、単数／複数の光束を射出する光源と、
   前記単数／複数の光束を後続の光学系にカップリングするカップリングレンズと、前記カップリングレンズから射出する光束を成形するアパーチャと、前記単数／複数の光束を主走査方向に偏向する光偏向手段と、カップリング光学系より射出される単数／複数の光束を前記光偏向手段へ導き、主走査方向に長い線像として光偏向面に集光する単一の線像形成レンズと、を備える入射光学系と、
   前記光偏向手段によって偏向された単数／複数の光束を被走査面上に結像する単一／複数の走査レンズ系と、を備え、
   前記線像形成レンズは回折面を有し、
   前記回折面のバックカットの成す形状は入れ子状の楕円群から成り、
   前記楕円群は中心を共有し、すべて閉じた楕円から成り、
   前記楕円群の最外楕円は、下記式１で表される矩形を包含することを特徴とする光走査装置。
   （式１）
   主走査方向：Ltanθm +Ay
   副走査方向：Ltanθs +Az
   L：アハ゜ーチャ-線像形成レンズ入射面間距離
   θm・θs：主／副走査断面内での、アパーチャを通過する全光束がアパーチャ開口部中心を通る法線と対する角度の最大値
   Ay：アパーチャの主走査方向径
   Az：アパーチャの副走査方向径
2. 前記線像形成レンズは、入射面と射出面の有効範囲の形状が異なることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
3. 前記回折面は、マルチステップ形状からなることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
4. 前記回折面は樹脂から成り、光学素子に貼り合せられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の光走査装置。
5. 前記光走査装置は、入射光学系と、光偏向器と、走査レンズとを含む第１筐体、及び前記第１筐体を構成する以外の光学素子を含む第２筐体から成り、
   カップリング光学系、線像形成光学系に含まれる光学素子は、調整組付けが可能である素子を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の光走査装置。
6. 前記回折面は、線像形成レンズの射出面のみに設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の光走査装置。
7. 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、前記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、
   前記光走査装置は、請求項１から６のいずれか１項記載の光走査装置であることを特徴とする画像形成装置。

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