JP2010276861A - Scanning optical system in image forming apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce focal point shift on an image face in main scanning direction due to the variation in environmental temperature and moisture even when an fθ lens and a coupling lens are composed of an optical transparent resin. <P>SOLUTION: The scanning optical system satisfies the relation (4), where t<SB>0</SB>stands for a designed temperature, t stands for the temperature in environment variation, α<SB>h</SB>stands for the linear expansion coefficient of a housing, f<SB>col</SB>(t) stands for the focal distance of the coupling lens at the temperature t, f<SB>fθ</SB>(t) stands for the main scanning focal distance of a scanning optical system at the temperature t, L stands for a desired depth of focus, β stands for the lateral magnification of the whole optical system, n<SB>fθ</SB>(t) stands for the refractive index at the temperature t when the scanning optical system lenses are assumed to be a synthesized single lens, S<SB>fθ</SB>(t) stands for the thickness of the center of the lens, R<SB>fθ1</SB>(t) stands for the incident side radius of curvature in main scanning direction, R<SB>fθ2</SB>(t) stands for the emission side radius of curvature in main scanning direction, n<SB>col</SB>(t) stands for the refractive index of the coupling lens at the temperature t, S<SB>col</SB>(t) stands for the thickness of the center of the lens, R<SB>coll</SB>(t) stands for the incident side radius of curvature, and R<SB>col2</SB>(t) stands for the emission side radius of curvature. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機などの画像形成装置における走査光学系に係り、特に、光源からの光を平行光束とするカップリングレンズ(コリメータレンズ)と、ポリゴンミラーにより偏向された光の被走査面上における走査速度を等速とするfθレンズとに光学用透明樹脂レンズを用い、それにもかかわらず環境温度変化による主走査方向の像面上での焦点シフトを許容範囲に収められるようにした、画像形成装置における走査光学系に関するものである。   BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning optical system in an image forming apparatus such as a copying machine, a printer, a facsimile, or a composite machine using an electrophotographic method, and more particularly, a coupling lens (collimator lens) that uses light from a light source as a parallel light beam. ) And an f.theta. Lens that makes the scanning speed of light deflected by the polygon mirror constant on the surface to be scanned, and nevertheless on the image surface in the main scanning direction due to environmental temperature changes. The present invention relates to a scanning optical system in an image forming apparatus that can keep the focus shift at an allowable range.

電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機などの画像形成装置においては、帯電装置により感光体ドラムを一様に帯電した後、形成する画像の信号で変調した光で感光体ドラムを露光して静電潜像を形成し、感光体ドラムに形成された静電潜像に対する現像装置による現像、現像によって形成された感光体ドラム上のトナー画像の転写装置による用紙への転写、用紙上に転写されたトナー画像の定着装置による定着、という工程によって画像形成が行われる。   In image forming apparatuses such as copiers, printers, facsimiles, and composite machines using electrophotography, the photosensitive drum is uniformly charged by a charging device, and then is exposed to light modulated by a signal of an image to be formed. The photosensitive drum is exposed to form an electrostatic latent image, the electrostatic latent image formed on the photosensitive drum is developed by the developing device, and the toner image on the photosensitive drum formed by the development is transferred to a sheet by the transferring device. Image formation is performed by a process of transferring and fixing a toner image transferred onto a sheet by a fixing device.

このうち、一様に帯電した感光体ドラムへの露光を行う走査光学系として、高速機においては、レーザーダイオード等を形成する画像の信号で変調し、ポリゴンミラーで主走査方向(感光体ドラムの軸方向)に偏向して、fθレンズを用いた走査光学系により、等角速度走査を等速度走査に変換して感光体ドラムを走査するようにした走査光学系が用いられる。   Among these, as a scanning optical system for exposing a uniformly charged photosensitive drum, in a high-speed machine, it is modulated by a signal of an image forming a laser diode or the like, and is scanned in a main scanning direction (of the photosensitive drum by a polygon mirror). A scanning optical system that scans the photosensitive drum by converting the constant angular velocity scanning into the constant velocity scanning by the scanning optical system using the fθ lens is used.

このような走査光学系においては、一般的に、レーザーダイオード等の光源装置から放射されたレーザー光を、コリメータレンズ等のカップリングレンズで略平行光束に変換した後、感光体ドラム上の走査面上で所望のビームスポット径を得るため、アパーチャ(絞り)により光束を一定の大きさに絞り、シリンドリカルレンズのような、副走査方向(主走査方向に直交する方向)にのみ屈折力を有する光学素子を透過させてポリゴンミラー上に主走査方向に線状に結像させ、走査面上の等角速度走査を等速走査に変換するfθレンズを介し、走査面上に光ビームスポットとして結像させるよう構成されている。   In such a scanning optical system, generally, a laser beam emitted from a light source device such as a laser diode is converted into a substantially parallel light beam by a coupling lens such as a collimator lens, and then scanned on a photosensitive drum. In order to obtain a desired beam spot diameter above, the optical beam having a refractive power only in the sub-scanning direction (direction orthogonal to the main scanning direction), such as a cylindrical lens, by narrowing the light beam to a certain size by an aperture (aperture). The element is transmitted and imaged linearly on the polygon mirror in the main scanning direction, and imaged as a light beam spot on the scanning surface through an fθ lens that converts constant angular velocity scanning on the scanning surface to constant velocity scanning. It is configured as follows.

このうち、fθレンズは2群2枚で構成される場合が多く、第1レンズは主走査方向の収差補正及び等角速度走査から等速走査への変換機能、第2レンズはポリゴンミラーの面倒れに対する補正機能を、というように光学的な機能を分離させて設計されるのが一般的である。   Of these, the fθ lens is often composed of two elements in two groups. The first lens corrects aberrations in the main scanning direction and the conversion function from constant angular velocity scanning to constant velocity scanning, and the second lens tilts the polygon mirror. In general, the correction function is designed with the optical function separated.

またfθレンズの材質は、環境変動による屈折率変化、屈折率分布変化、熱変形等の影響を受けにくい光学用ガラス(例えばBK7等)が使用されていたが、近年では装置の小型化や軽量化、部材コストの削減等の要請から、光学用アクリル樹脂(PMMA)やシクロオレフィン系樹脂(COP)等の光学用透明樹脂を用いることが多くなっている。   As the material of the fθ lens, optical glass (such as BK7) that is not easily affected by a change in refractive index, a change in refractive index distribution, thermal deformation, or the like due to environmental fluctuations has been used. In view of demands for reducing the cost of materials and parts, optical transparent resins such as optical acrylic resins (PMMA) and cycloolefin-based resins (COP) are increasingly used.

しかしながら、これら光学用アクリル樹脂(PMMA)やシクロオレフィン系樹脂(COP)等の光学用透明樹脂は、ガラスと比較すると温湿度変化の影響を受けやすく、さらに光学用アクリル樹脂(PMMA)は吸湿性が高いため、レンズ内の屈折率分布が変化して光学性能の劣化を引き起こしやすい。一方、シクロオレフィン系樹脂(COP)は湿度変化に対する吸湿性が低く、屈折率分布の変化等の影響を受けにくいが、温度変化に対しては、熱変形や屈折率変動を起こしてやはり光学性能の劣化を引き起こす。   However, these optical transparent resins such as optical acrylic resin (PMMA) and cycloolefin resin (COP) are more susceptible to changes in temperature and humidity than glass, and optical acrylic resin (PMMA) is hygroscopic. Therefore, the refractive index distribution in the lens is changed and the optical performance is likely to be deteriorated. On the other hand, cycloolefin resin (COP) has low hygroscopicity with respect to changes in humidity and is not easily affected by changes in the refractive index distribution. Cause deterioration.

また、半導体レーザ等の光源装置からの拡散光を略平行光束に変換するカップリングレンズは、温湿度変化により焦点シフトが生じた場合に光学性能の変化が大きく、従来はこのカップリングレンズは光学ガラスが用いられていた。しかしながら光学ガラスを使用した場合、光学用透明樹脂を使用した場合と比較してコストアップするため、シクロオレフィン系(COP)樹脂が使用される場合もあるが、そのままでは温度変化による屈折率変動の影響を受け、カップリングレンズの焦点距離の変動を引き起こす。そのため、カップリングレンズに回折格子を設けたり、カップリングレンズを2枚構成にし、それぞれに正と負の屈折力を持たせて、焦点距離変動を打ち消すことによりこの問題を解決するなどの方法が取られていた。   In addition, a coupling lens that converts diffused light from a light source device such as a semiconductor laser into a substantially parallel light beam has a large change in optical performance when a focus shift occurs due to a change in temperature and humidity. Conventionally, this coupling lens is optical. Glass was used. However, when optical glass is used, a cycloolefin-based (COP) resin may be used in order to increase the cost as compared with the case where an optical transparent resin is used. Affected, causing the focal length of the coupling lens to vary. Therefore, there is a method of solving this problem by providing a diffraction grating in the coupling lens, or having two coupling lenses, each having positive and negative refractive powers, and canceling the focal length variation. It was taken.

このように、走査光学系に光学用透明樹脂を用いたことで環境温度変化で焦点位置ズレが起こることに対しては、例えば特許文献1にシリンドリカルレンズをアクリル樹脂で、fθレンズをガラスで製作した場合の温度変化による、焦点位置ずれを実用上許容できる範囲に抑えるようにしたレーザビーム走査光学系が示されている。この特許文献1に示されたレーザビーム走査光学系では、シリンドリカルレンズを保持した光源ユニットが温度変化で変形し、ポリゴンミラー付近での結像位置が元の位置から変動して、感光体付近での結像位置が元の位置から移動するが、温度上昇に伴って樹脂製のシリンドリカルレンズも変形し、結像位置が光源ユニットの変形を相殺する方向に変化するのを利用し、焦点ずれを実用上許容できる範囲に抑えている。   As described above, for example, in Patent Document 1, a cylindrical lens is made of an acrylic resin and an fθ lens is made of glass in order to prevent a focal position shift due to an environmental temperature change by using an optical transparent resin in the scanning optical system. In this case, a laser beam scanning optical system is shown in which the focal position deviation due to temperature change is suppressed within a practically allowable range. In the laser beam scanning optical system disclosed in Patent Document 1, the light source unit holding the cylindrical lens is deformed by a temperature change, and the imaging position in the vicinity of the polygon mirror fluctuates from the original position, and near the photoconductor. The image forming position moves from the original position, but as the temperature rises, the plastic cylindrical lens also deforms, and the fact that the image forming position changes in a direction to cancel the deformation of the light source unit is used to reduce the defocus. It is kept within a practically acceptable range.

特開平5−19189号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-19189

光学用透明樹脂でfθレンズやカップリングレンズを構成した場合、前記したように温度変化に対しての屈折率変動が光学ガラスと比較して大きいため、それぞれのレンズによる焦点距離の変化が大きくなる。また、半導体レーザ等の光源装置からの拡散光を平行光束に変換するカップリングレンズは、温度変化が生じた場合、半導体レーザとカップリングレンズの光軸方向の距離が、光学素子と半導体レーザが設置されている共通の固定部材の線膨張係数に比例した分だけ伸縮することになる。   When an fθ lens or a coupling lens is configured with an optical transparent resin, since the refractive index variation with respect to the temperature change is larger than that of the optical glass as described above, the change in the focal length by each lens becomes large. . Also, a coupling lens that converts diffused light from a light source device such as a semiconductor laser into a parallel light beam has a distance in the optical axis direction between the semiconductor laser and the coupling lens when the temperature changes. It expands and contracts by an amount proportional to the linear expansion coefficient of the common fixing member installed.

レンズ材料として光学用透明樹脂を使用している場合、熱膨張による半導体レーザとカップリングレンズの距離の変動よりも、温度変化に対する焦点距離の変動の方が大きく、カップリングレンズと半導体レーザの距離が短くなったのと同じ状態になる。この時、カップリングレンズの焦点距離を温度tの関数で表したfcol(t)と、fθレンズの焦点距離ffθ(t)の比(横倍率)の2乗に比例して被走査面での光軸方向の焦点位置ずれが起こるという問題がある。 When optically transparent resin is used as the lens material, the focal length variation due to temperature changes is larger than the variation in the distance between the semiconductor laser and the coupling lens due to thermal expansion, and the distance between the coupling lens and the semiconductor laser. Will be in the same state as is shortened. At this time, the surface to be scanned is proportional to the square of the ratio (lateral magnification) of f col (t) representing the focal length of the coupling lens as a function of temperature t and the focal length f (t) of the fθ lens. There is a problem that the focal position shift in the optical axis direction occurs.

こういった問題に対してカップリングレンズに回折格子を設ける方法では、回折格子の設計を別途行う必要があり、回折格子の金型製作も通常のレンズ金型と比べて特殊なものとなるので、必要となる工数も多くなる。レンズを2枚構成にしてキャンセルさせる方法は2枚のレンズを使用するため、部材点数の増加やコストアップが生じる。   In order to deal with these problems, the method of providing a diffraction grating in the coupling lens requires a separate design of the diffraction grating, and the production of the diffraction grating mold is special compared to ordinary lens molds. More man-hours are required. Since the method of canceling the configuration with two lenses uses two lenses, the number of members increases and the cost increases.

また、特許文献1に示されたレーザビーム走査光学系は、シリンドリカルレンズをアクリル樹脂で、fθレンズをガラスで製作した場合であり、前記したように装置の小型化や軽量化、部材コストの削減等の要請から、fθレンズとカップリングレンズに光学用アクリル樹脂(PMMA)やシクロオレフィン系樹脂(COP)等の、光学用透明樹脂を用いた場合には適用できない。   The laser beam scanning optical system disclosed in Patent Document 1 is a case where the cylindrical lens is made of acrylic resin and the fθ lens is made of glass. As described above, the apparatus is reduced in size and weight, and the member cost is reduced. In view of such demands, it cannot be applied when an optical transparent resin such as optical acrylic resin (PMMA) or cycloolefin resin (COP) is used for the fθ lens and the coupling lens.

そのため本発明においては、fθレンズとカップリングレンズに光学用アクリル樹脂(PMMA)や、シクロオレフィン系樹脂(COP)等の光学用透明樹脂を用いた場合でも、環境温湿度の変動による主走査方向の像面上での焦点シフトを減少させるようにした、画像形成装置における走査光学系を提供することが課題である。   Therefore, in the present invention, even when an optical transparent resin such as an optical acrylic resin (PMMA) or a cycloolefin resin (COP) is used for the fθ lens and the coupling lens, the main scanning direction due to a change in environmental temperature and humidity. An object of the present invention is to provide a scanning optical system in an image forming apparatus capable of reducing the focus shift on the image plane.

上記課題を解決するため本発明になる画像形成装置における走査光学系は、
光源装置と、光源装置からの拡散光を平行な光束とするカップリングレンズと、該カップリングレンズにより平行光束とされた光源装置からの光を偏向し、被走査面上を主走査方向に走査させる走査光学手段と、該走査光学手段により偏向された光を被走査面上に光スポットとして集光させ、前記被走査面上における走査速度を等速とするfθレンズと、からなる画像形成装置における走査光学系において、
前記光源装置とカップリングレンズ(コリメータレンズ)とは樹脂とガラス繊維からなる複合材料で構成した筐体に保持され、前記走査光学系におけるfθレンズとカップリングレンズとを光学用透明樹脂で構成して、光学系の設計温度をt、環境温度変動時の温度をt、光学系を保持する前記筐体の線膨張係数をα、環境温度tのときの前記カップリングレンズ(コリメータレンズ)の焦点距離をfcol(t)、環境温度tのときの前記走査光学系の主走査焦点距離をffθ(t)、所望の焦点深度をL、主走査方向の全光学系の横倍率をβ、環境温度tのときの走査光学系レンズを合成単レンズとみなしたときの屈折率をnfθ(t)、レンズ中心厚みをSfθ(t)、主走査方向入射側曲率半径をRfθ1(t)、主走査方向射出側曲率半径をRfθ2(t)、温度tのときのカップリングレンズの屈折率ncol(t)、レンズ中心厚みScol(t)、入射側曲率半径Rcol1(t)、射出側曲率半径Rcol2(t)、とするとき、

Figure 2010276861
であり、使用環境温度内で、
Figure 2010276861
を満たすことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the scanning optical system in the image forming apparatus according to the present invention is:
A light source device, a coupling lens that converts the diffused light from the light source device into a parallel light beam, and deflects light from the light source device that has been converted into a parallel light beam by the coupling lens, and scans the surface to be scanned in the main scanning direction. An image forming apparatus comprising: a scanning optical unit that causes the light deflected by the scanning optical unit to be condensed as a light spot on the surface to be scanned, and a scanning speed on the surface to be scanned is constant. In the scanning optical system in
The light source device and the coupling lens (collimator lens) are held in a casing made of a composite material made of resin and glass fiber, and the fθ lens and the coupling lens in the scanning optical system are made of an optical transparent resin. The coupling lens (collimator lens) when the design temperature of the optical system is t 0 , the temperature when the environmental temperature varies is t, the linear expansion coefficient of the housing holding the optical system is α h , and the environmental temperature is t Is the main scanning focal length of the scanning optical system at the environmental temperature t, f (t), the desired focal depth is L, and the lateral magnification of the entire optical system in the main scanning direction is When the scanning optical system lens at β and the environmental temperature t is regarded as a synthetic single lens, the refractive index is n (t), the lens center thickness is S (t), and the main scanning direction incident side radius of curvature is R fθ1. (T) Main scanning method R fθ2 (t) for the exit-side radius of curvature, refractive index n col (t) of the coupling lens at temperature t, lens center thickness S col (t), entrance-side radius of curvature R col1 (t), exit side When the curvature radius is R col2 (t),
Figure 2010276861
And within the operating environment temperature,
Figure 2010276861
It is characterized by satisfying.

このように、走査光学系レンズを合成単レンズとみなしたときに(4)式を満足するように設計することで、筐体に保持した光源装置と光学用透明樹脂で構成したカップリングレンズにおける、レンズ自体の焦点シフト量と筐体の変形による焦点シフト量の合成シフト量と、光学用透明樹脂で構成したfθレンズの焦点シフト量とが互いに相殺しあい、焦点シフトを最小限に抑えることができ、かつ、環境変動時の焦点シフト量が小さければ、設計上の焦点深度は浅く取ることができるから、走査光学系の設計難易度を下げることができる。また、カップリングレンズは高価なガラスを使用することなく、従来の透明光学樹脂を利用することができ、さらに、回折格子を設ける必要がないからコストダウンが可能となると共に、回折格子の設計が不要になって光学設計が簡略化できる。   As described above, when the scanning optical system lens is regarded as a synthetic single lens, it is designed so as to satisfy the expression (4), so that the coupling lens composed of the light source device held in the housing and the optical transparent resin can be used. The focal shift amount of the lens itself and the combined shift amount of the focal shift amount due to the deformation of the housing and the focal shift amount of the fθ lens formed of the optical transparent resin cancel each other, thereby minimizing the focal shift. If the focus shift amount when the environment changes is small, the design depth of focus can be reduced, and the design difficulty of the scanning optical system can be lowered. In addition, the coupling lens can use a conventional transparent optical resin without using expensive glass. Further, since it is not necessary to provide a diffraction grating, the cost can be reduced and the diffraction grating can be designed. Optical design can be simplified because it becomes unnecessary.

また、前記筐体が、ポリカーボネート、ガラス繊維、ABS樹脂からなる複合材料とすることで、強度を持ちながら前記(1)式により焦点シフトを最小限に抑えることができる筐体とすることができる。   Further, when the casing is made of a composite material made of polycarbonate, glass fiber, and ABS resin, it is possible to provide a casing capable of minimizing the focus shift by the formula (1) while having strength. .

このように本発明になる画像形成装置における走査光学系は、走査光学系の環境温度による焦点シフト量を最小限に抑えることができ、環境温度変化時の光学性能の劣化を抑えることが可能となると共に、環境変動時の焦点シフト量が小さいことで、設計上の焦点深度は浅く取ることができるから、走査光学系の設計時の難易度を下げることができる。   As described above, the scanning optical system in the image forming apparatus according to the present invention can minimize the focus shift amount due to the environmental temperature of the scanning optical system, and can suppress deterioration of the optical performance when the environmental temperature changes. At the same time, since the focus shift amount when the environment changes is small, the design depth of focus can be made shallow, so that the difficulty level in designing the scanning optical system can be lowered.

本発明になる光走査光学装置を画像形成装置における感光体の露光装置に応用した構成概略の斜視図である。1 is a perspective view of a schematic configuration in which an optical scanning optical device according to the present invention is applied to a photoconductor exposure apparatus in an image forming apparatus. 図1に示した光走査光学装置の副走査方向断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view in the sub-scanning direction of the optical scanning optical device shown in FIG. 1.

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。   Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Absent.

図1は、本発明になる画像形成装置における走査光学系の構成概略の斜視図で、図2はこの図1に示した光走査光学装置の副走査方向断面図である。この図1、図2における同一構成要素には同一番号を付してある。   FIG. 1 is a perspective view of a schematic configuration of a scanning optical system in an image forming apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view in the sub-scanning direction of the optical scanning optical apparatus shown in FIG. The same constituent elements in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.

本発明になる光走査光学装置は、例えば波長670nmの半導体レーザよりなる光源1と、その半導体レーザよりなる光源1からの光を平行光とするカップリングレンズとしての非球面コリメートレンズ2と、この平行光を所定の大きさとする開口31を備えた開口絞り(アパーチャー)3と、平行光とされた光源1からの光を主走査方向10に長い線状として、被走査面9上を走査させる回転反射鏡(ポリゴンミラー)5の反射面5aに結像させるシリンドリカルレンズ4などの線状集光素子と、ポリゴンミラー5により偏向された光の被走査面上における走査速度を等速とする、fθレンズ6、7などの走査光学系、反射鏡8などで構成されている。本発明においては、シリンドリカルレンズは、光学ガラスであるS−BSL7(株式会社オハラ製)を用いた。なお、反射鏡8は、必要に応じて設ければ良く、各光学部材の配置構成(レイアウト)によっては無くても構わない。   The optical scanning optical device according to the present invention includes, for example, a light source 1 made of a semiconductor laser having a wavelength of 670 nm, an aspherical collimating lens 2 as a coupling lens that makes parallel light from the light source 1 made of the semiconductor laser, An aperture stop (aperture) 3 having an opening 31 having a predetermined size of parallel light and light from the light source 1 that has been made parallel light are scanned in a line that is long in the main scanning direction 10 to scan the surface 9 to be scanned. The linear condensing element such as the cylindrical lens 4 that forms an image on the reflecting surface 5a of the rotating mirror (polygon mirror) 5 and the scanning speed of the light deflected by the polygon mirror 5 on the surface to be scanned are made constant. A scanning optical system such as fθ lenses 6 and 7, a reflecting mirror 8, and the like are included. In the present invention, S-BSL7 (manufactured by OHARA INC.), Which is an optical glass, was used as the cylindrical lens. The reflecting mirror 8 may be provided as necessary, and may be omitted depending on the arrangement configuration (layout) of each optical member.

fθレンズ6、7は、主走査方向に正のパワーを、主走査方向と直交する副走査方向に負のパワーを持つ第1レンズ6と、副走査方向に正のパワーを有している第2レンズ7とで構成され、どちらかのレンズが非球面形状を有して構成されている。そして本発明においては、コリメートレンズ2、fθレンズ6、7を例えばシクロオレフィン系樹脂(COP)であるZEONEXE330R(日本ゼオン株式会社製)等の光学用透明樹脂を使用し、また、光源1とコリメートレンズ2は、ポリカーボネート、ガラス繊維、ABSの複合材料の、例えばRN7740D(帝人株式会社製)等の材質の筐体に保持している。   The fθ lenses 6 and 7 have a positive power in the main scanning direction, a first lens 6 having a negative power in the sub scanning direction orthogonal to the main scanning direction, and a first lens 6 having a positive power in the sub scanning direction. 2 lenses 7 and one of the lenses has an aspherical shape. In the present invention, the collimating lens 2 and the fθ lenses 6 and 7 are made of an optical transparent resin such as ZEONEXE 330R (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.), which is a cycloolefin resin (COP). The lens 2 is held in a housing made of a material such as RN7740D (manufactured by Teijin Ltd.) made of a composite material of polycarbonate, glass fiber, and ABS.

このように構成した本発明の画像形成装置における走査光学系における、fθレンズ6、7の主走査方向の焦点距離fは、nをfθレンズを合成単レンズとみなしたときの屈折率、Sをレンズ中心厚み、Rをfθレンズの主走査方向入射側曲率半径、Rをfθレンズの主走査方向射出側曲率半径とすると、下記(2)式で与えられる。

Figure 2010276861
The refractive index of the scanning optical system in the image forming apparatus of the present invention thus configured, the focal length f of the main scanning direction of the fθ lens 6 and 7, when the n L were considered fθ lens and synthetic single lens, S When L is the lens center thickness, R 1 is the curvature radius on the incident side in the main scanning direction of the fθ lens, and R 2 is the curvature radius on the exit side in the main scanning direction of the fθ lens, the following equation (2) is given.
Figure 2010276861

環境温度変化時、この4つのパラメータnL、L、1、は、環境温度tの関数になり、詳細は省略するが、レンズ中心厚みSはS(t)、主走査方向入射側曲率半径RはR(t)、主走査方向射出側曲率半径RはR(t)となって温度tの1次式で近似され、走査光学系の全レンズを合成単レンズとみなしたときの屈折率nはn(t)として、温度tの2次式で十分良く近似される。そのため、設計温度tにおけるレンズ厚みをS、主走査方向入射側曲率半径をR、主走査方向射出側曲率半径をR、レンズの線膨張係数をαとすると、環境温度tのときの4つのパラメータは下記(6)〜(9)式で表せる。

Figure 2010276861
When the environmental temperature changes, these four parameters n L, S L, R 1, and R 2 are functions of the environmental temperature t, and although details are omitted, the lens center thickness S L is S L (t), main scanning. The direction-incident-side radius of curvature R 1 is R 1 (t) and the main-scanning direction exit-side radius of curvature R 2 is R 2 (t), which is approximated by a linear expression of temperature t, and combines all lenses of the scanning optical system. The refractive index n L when regarded as a single lens is sufficiently well approximated by a quadratic expression of the temperature t as n L (t). Therefore, when the lens thickness at the design temperature t 0 is S 0 , the main scanning direction incident side radius of curvature is R 1 , the main scanning direction exit side radius of curvature is R 2 , and the linear expansion coefficient of the lens is α L , the environmental temperature t These four parameters can be expressed by the following equations (6) to (9).
Figure 2010276861

そして、カップリングレンズ2におけるS、R、R、及びfθレンズ6、7の同じくS、R、R、を、下記のように定義する。

Figure 2010276861
Then, like S 0, R 1, R 2 of S 0, R 1, R 2, and fθ lenses 6 and 7 in the coupling lens 2, and is defined as follows.
Figure 2010276861

従って、fθレンズ6、7の温度tの時の焦点距離は(5)式より以下のようになる。

Figure 2010276861
また、コリメートレンズ2の温度tのときの焦点距離は(5)式より以下のようになる。
Figure 2010276861
Accordingly, the focal length of the fθ lenses 6 and 7 at the temperature t is as follows from the equation (5).
Figure 2010276861
Further, the focal length at the temperature t of the collimating lens 2 is as follows from the equation (5).
Figure 2010276861

また、主走査方向全光学系の横倍率βは(10)式、(11)式を使って下記(12)式になり、主走査方向全光学系の縦倍率は下記(13)式になる。

Figure 2010276861
Further, the lateral magnification β of the entire optical system in the main scanning direction is expressed by the following expression (12) using the expressions (10) and (11), and the vertical magnification of the entire optical system in the main scanning direction is expressed by the following expression (13). .
Figure 2010276861

また、カップリングレンズ2の周辺は、環境温度変化時、半導体レーザ1及びカップリングレンズ2が保持されている筐体が伸縮し、半導体レーザ1とカップリングレンズ2の間の距離が伸縮する。従って、光軸方向のカップリングレンズに対する半導体レーザの位置ずれ量は、筐体の線膨張係数をα、設計温度をt、環境温度をtとして、下記(14)式になる。

Figure 2010276861
Further, around the coupling lens 2, the housing holding the semiconductor laser 1 and the coupling lens 2 expands and contracts when the environmental temperature changes, and the distance between the semiconductor laser 1 and the coupling lens 2 expands and contracts. Accordingly, the positional deviation amount of the semiconductor laser with respect to the coupling lens in the optical axis direction is expressed by the following equation (14), where α h is the linear expansion coefficient of the housing, t 0 is the design temperature, and t is the environmental temperature.
Figure 2010276861

また、カップリングレンズ2の環境温度tの時の焦点距離fcol(t)は(11)式により算出され、温度変化によって焦点距離が変化しているため、半導体レーザ1とカップリングレンズ2の実質的な距離変動ΔLcolは、下記(15)式になる。

Figure 2010276861
この時、半導体レーザ1とカップリングレンズ2の距離が伸びる方向が負となる。これは、被走査面10上ではシフトする方向が逆転するためである。 Further, the focal length f col (t) of the coupling lens 2 at the environmental temperature t is calculated by the equation (11), and the focal length changes due to the temperature change, so that the semiconductor laser 1 and the coupling lens 2 The substantial distance variation ΔL col is expressed by the following equation (15).
Figure 2010276861
At this time, the direction in which the distance between the semiconductor laser 1 and the coupling lens 2 increases is negative. This is because the shifting direction is reversed on the scanned surface 10.

物点上での光軸方向のズレ量ΔLcolと像点でのズレ量ΔLimage_colの関係は、下記(16)式となる。

Figure 2010276861
fθレンズの焦点シフト量ΔLimage_fθは、下記(17)式になる。
Figure 2010276861
従って、両者の効果を合わせた焦点シフトは(15)式、(16)式、(17)式から、下記(18)式になる。
Figure 2010276861
The relationship between the shift amount ΔL col in the optical axis direction on the object point and the shift amount ΔL image_col at the image point is expressed by the following equation (16).
Figure 2010276861
The focal shift amount ΔL image_fθ of the fθ lens is expressed by the following equation (17).
Figure 2010276861
Therefore, the focus shift combining both effects is expressed by the following equation (18) from the equations (15), (16), and (17).
Figure 2010276861

ここで、所望の光学性能を得ることができる焦点深度をLとすると、下記(18)式を満たせば焦点ズレによる、光学性能の劣化を回避することができる。

Figure 2010276861
Here, assuming that the focal depth at which a desired optical performance can be obtained is L, deterioration of the optical performance due to a focus shift can be avoided if the following expression (18) is satisfied.
Figure 2010276861

すなわち焦点深度がLということは、光軸上で焦点深度Lの範囲で焦点ズレが起こっても問題ない、ということであるから、式(19)は、最初に光軸方向で0の位置に焦点を合わせ込めば、焦点位置0から±L/2の範囲のズレだと問題ないということを表している。   That is, when the focal depth is L, it means that there is no problem even if a focus shift occurs in the range of the focal depth L on the optical axis. Therefore, the equation (19) is first set to a position of 0 in the optical axis direction. If the focus is adjusted, it indicates that there is no problem if the deviation is within the range of ± L / 2 from the focal position 0.

次に、実際の光学設計例について説明する。まず、筐体の線膨張係数α、設計温度t、焦点深度をLの各パラメータを下記のようにした。
α=3.01×10−4 (/℃)
=20 (/℃)
L=5 (mm)
また、使用温度tを10℃〜35℃とし、半導体レーザの波長は670(nm)、焦点深度Lは、fθレンズ6、7の光学設計に依存して被走査面10上でのビームスポット径の設定にもよるが、上記のように5mm程度得られれば良好と考えられる。fθレンズ6、7に使用する光学用透明樹脂は、前記したようにシクロオレフィン系樹脂のZEONEXE330R(日本ゼオン株式会社の登録商標)を使用した。なお、(10)式では、合成レンズの曲率半径としたが、実施例では簡単のため、単玉レンズによるものとして計算した。
Next, an actual optical design example will be described. First, each parameter of the linear expansion coefficient α h of the casing, the design temperature t 0 , and the focal depth L was set as follows.
α h = 3.01 × 10 −4 (/ ° C.)
t 0 = 20 (/ ° C.)
L = 5 (mm)
The operating temperature t is 10 ° C. to 35 ° C., the wavelength of the semiconductor laser is 670 (nm), and the focal depth L is the beam spot diameter on the scanned surface 10 depending on the optical design of the fθ lenses 6 and 7. Although it depends on the setting, it is considered good if about 5 mm is obtained as described above. As described above, ZEONEEXE 330R (registered trademark of Nippon Zeon Co., Ltd.), which is a cycloolefin resin, was used as the optical transparent resin used for the fθ lenses 6 and 7. In the expression (10), the radius of curvature of the synthetic lens is used. However, in the examples, the calculation is made with a single lens for simplicity.

カップリングレンズ2のレンズの線膨張係数α、設計温度tにおけるカップリングレンズ厚みS0col、設計温度tにおけるカップリングレンズの主走査方向入射側曲率半径R0col1、設計温度tにおけるカップリングレンズの主走査方向射出側曲率半径R0col2等の諸元は下記の通りである。
α=9.0×10−5 (/℃)
0col =8 (mm)
0col1=25.349 (mm)
0col2=∞ (mm)
また、同じくfθレンズ6、7における線膨張係数α、設計温度tにおけるfθレンズ厚みS0fθ、設計温度tにおけるfθレンズの主走査方向入射側曲率半径R0fθl、設計温度tにおけるfθレンズの主走査方向射出側曲率半径R0fθ2等の諸元も下記の通りである。
α=9.0×10−5(/℃)
0fθ =8 (mm)
0fθ1=−48.695 (mm)
0fθ2=−73.614 (mm)
Linear expansion coefficient alpha L of the lens coupling lens 2, the design temperature coupling lens thickness S 0Col at t 0, design temperature t 0 the coupling lens in the main scanning direction incident-side radius of curvature R 0Col1 in the cup at the design temperature t 0 Specifications of the ring lens in the main scanning direction exit side radius of curvature R 0col2 and the like are as follows.
α L = 9.0 × 10 −5 (/ ° C.)
S 0col = 8 (mm)
R 0col1 = 25.349 (mm)
R 0col2 = ∞ (mm)
Further, also the linear expansion coefficient alpha L in f [theta] lens 6, 7, f [theta] lens thickness S 0Efushita at design temperature t 0, the main scanning direction incident-side radius of curvature R 0Efushitaeru of f [theta] lens at the design temperature t 0, f [theta] at the design temperature t 0 Specifications such as the main scanning direction exit side radius of curvature R 0fθ2 of the lens are as follows.
α L = 9.0 × 10 −5 (/ ° C.)
S 0fθ = 8 (mm)
R 0fθ1 = −48.695 (mm)
R 0fθ2 = −73.614 (mm)

その結果、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、の各温度における焦点シフト量は、下記の通りとなり、シフト量は1.178mm〜−0.656mmの範囲に収まって、前記(19)式を満たしている。
10℃ −0.656(mm)
15℃ −0.341(mm)
20℃ 0.000(mm)
25℃ 0.366(mm)
30℃ 0.759(mm)
35℃ 1.178(mm)
As a result, the focus shift amount at each temperature of 10 ° C., 15 ° C., 20 ° C., 25 ° C., 30 ° C., and 35 ° C. is as follows, and the shift amount is within the range of 1.178 mm to −0.656 mm. Thus, the equation (19) is satisfied.
10 ° C -0.656 (mm)
15 ° C -0.341 (mm)
20 ° C 0.000 (mm)
25 ° C 0.366 (mm)
30 ° C 0.759 (mm)
35 ° C 1.178 (mm)

このように本発明によれば、走査光学系の環境温度による焦点シフト量を最小限に抑えることができ、環境温度変化時の光学性能の劣化を抑えることが可能となる。また、環境変動時の焦点シフト量が小さければ、設計上の焦点深度は浅く取る事ができるから、走査光学系の設計難易度も下げることができる。さらに、カップリングレンズ2は高価なガラスを使用することなく、従来の透明光学樹脂を利用することができ、また、回折格子を設ける必要もなくなるから、コストダウンが可能となると共に、回折格子の設計が不要になって光学設計が簡略化できる。   As described above, according to the present invention, it is possible to minimize the focus shift amount due to the environmental temperature of the scanning optical system, and it is possible to suppress the deterioration of the optical performance when the environmental temperature changes. In addition, if the focus shift amount when the environment changes is small, the design depth of focus can be made shallow, so that the design difficulty of the scanning optical system can be reduced. Further, the coupling lens 2 can use a conventional transparent optical resin without using expensive glass, and it is not necessary to provide a diffraction grating. The design becomes unnecessary and the optical design can be simplified.

本発明によれば、走査光学系におけるfθレンズ、カップリングレンズを光学用透明樹脂で構成しても、環境温度変化があっても焦点シフトを許容範囲に収めることができるから、画像形成装置を安価に、しかも環境温度の変化でも画像品質を落とさないように製作することができる。   According to the present invention, even if the fθ lens and the coupling lens in the scanning optical system are made of an optical transparent resin, the focus shift can be within an allowable range even if there is a change in environmental temperature. It can be manufactured at a low cost so that the image quality does not deteriorate even when the environmental temperature changes.

1 光源(半導体レーザ)
2 コリメートレンズ
3 アパーチャー(開口絞り)
31 開口
4 シリンドリカルレンズ
5 ポリゴンミラー
6、7 fθレンズ
8 反射鏡
9 感光体(被走査面)
10 走査方向
1 Light source (semiconductor laser)
2 Collimating lens 3 Aperture (aperture stop)
31 Aperture 4 Cylindrical lens 5 Polygon mirror 6, 7 fθ lens 8 Reflecting mirror 9 Photosensitive member (scanned surface)
10 Scanning direction

Claims (2)

光源装置と、光源装置からの拡散光を平行な光束とするカップリングレンズと、該カップリングレンズにより平行光束とされた光源装置からの光を偏向し、被走査面上を主走査方向に走査させる走査光学手段と、該走査光学手段により偏向された光を被走査面上に光スポットとして集光させ、前記被走査面上における走査速度を等速とするfθレンズと、からなる画像形成装置における走査光学系において、
前記光源装置とカップリングレンズ(コリメータレンズ)とは樹脂とガラス繊維からなる複合材料で構成した筐体に保持され、前記走査光学系におけるfθレンズとカップリングレンズとを光学用透明樹脂で構成して、光学系の設計温度をt、環境温度変動時の温度をt、光学系を保持する前記筐体の線膨張係数をα、環境温度tのときの前記カップリングレンズ(コリメータレンズ)の焦点距離をfcol(t)、環境温度tのときの前記走査光学系の主走査焦点距離をffθ(t)、所望の焦点深度をL、主走査方向の全光学系の横倍率をβ、環境温度tのときの走査光学系レンズを合成単レンズとみなしたときの屈折率をnfθ(t)、レンズ中心厚みをSfθ(t)、主走査方向入射側曲率半径をRfθ1(t)、主走査方向射出側曲率半径をRfθ2(t)、温度tのときのカップリングレンズの屈折率ncol(t)、レンズ中心厚みScol(t)、入射側曲率半径Rcol1(t)、射出側曲率半径Rcol2(t)、とするとき、
Figure 2010276861
であり、使用環境温度内で、
Figure 2010276861
を満たすことを特徴とする画像形成装置における走査光学系。
A light source device, a coupling lens that converts the diffused light from the light source device into a parallel light beam, and deflects light from the light source device that has been converted into a parallel light beam by the coupling lens, and scans the surface to be scanned in the main scanning direction. An image forming apparatus comprising: a scanning optical unit that causes the light deflected by the scanning optical unit to be condensed as a light spot on the surface to be scanned, and a scanning speed on the surface to be scanned is constant. In the scanning optical system in
The light source device and the coupling lens (collimator lens) are held in a casing made of a composite material made of resin and glass fiber, and the fθ lens and the coupling lens in the scanning optical system are made of an optical transparent resin. The coupling lens (collimator lens) when the design temperature of the optical system is t 0 , the temperature when the environmental temperature varies is t, the linear expansion coefficient of the housing holding the optical system is α h , and the environmental temperature is t Is the main scanning focal length of the scanning optical system at the environmental temperature t, f (t), the desired focal depth is L, and the lateral magnification of the entire optical system in the main scanning direction is When the scanning optical system lens at β and the environmental temperature t is regarded as a synthetic single lens, the refractive index is n (t), the lens center thickness is S (t), and the main scanning direction incident side radius of curvature is R fθ1. (T) Main scanning method R fθ2 (t) for the exit-side radius of curvature, refractive index n col (t) of the coupling lens at temperature t, lens center thickness S col (t), entrance-side radius of curvature R col1 (t), exit side When the curvature radius is R col2 (t),
Figure 2010276861
And within the operating environment temperature,
Figure 2010276861
And a scanning optical system in an image forming apparatus.
前記筐体が、ポリカーボネート、ガラス繊維、ABS樹脂からなる複合材料からなることを特徴とする請求項1に記載した画像形成装置における走査光学系。   2. A scanning optical system in an image forming apparatus according to claim 1, wherein the casing is made of a composite material made of polycarbonate, glass fiber, and ABS resin.
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