JP2012163810A - Method for designing optical element and optical element designed by using the method - Google Patents

Method for designing optical element and optical element designed by using the method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for designing an optical element, the method capable of easily providing, by an analytical calculation, an optimal change in the tilt of a marginal line of an optical element in an imaging optical system used in a scanning optical system and having fθ characteristics.SOLUTION: In a method for designing an optical element used in a scanning optical system, the optical element has an optical surface on which the angle defined by a light beam passing through the optical surface and the normal line to a marginal line surface varies on the marginal line cross-section of the optical surface according to the position in the main scanning direction independently of the curvature in the marginal line direction. The method comprises: a calculation process for calculating wavefront aberration sensitivity of the optical surface for every optical surface at a plurality of positions in the main scanning direction; an equation formulating process for formulating an equation at a plurality of positions in the main scanning direction to correct remaining irradiation displacement in the sub-scanning direction; a corrective equation formulating process for formulating an equation at a plurality of positions in the main scanning direction to correct remaining wavefront aberration; and a tilt angle calculating process for calculating change in tilt angle for correcting wavefront aberration from the equation formulated in the corrective equation formulating process.

Description

本発明は、電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタやデジタル複写機、マルチファンクションプリンタ(多機能プリンタ)等の画像形成装置の走査光学系に用いられる結像光学系を構成する光学素子(fθレンズ)(走査レンズ)の設計方法に関する。特に走査光学系の光学素子の設計方法に関するものである。   The present invention relates to an optical element (fθ lens) constituting an imaging optical system used in a scanning optical system of an image forming apparatus such as a laser beam printer having an electrophotographic process, a digital copying machine, or a multifunction printer (multifunction printer). The present invention relates to a (scanning lens) design method. In particular, the present invention relates to a method for designing an optical element of a scanning optical system.

従来、レーザービームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に用いられる走査光学系では、光源から発する光束をポリゴンミラーなどの偏向手段にて偏向走査している。そして単数、または複数のfθレンズより成る結像光学系を介して被走査面上に結像させて走査している。   Conventionally, in a scanning optical system used in an image forming apparatus such as a laser beam printer or a digital copying machine, a light beam emitted from a light source is deflected and scanned by a deflecting means such as a polygon mirror. Then, the image is scanned on the surface to be scanned through an imaging optical system including one or a plurality of fθ lenses.

結像光学系に用いられる光学素子は、多くの場合、射出成形により樹脂より製造されている。光学素子のレンズ面を射出成形により複雑な面形状で構成することにより被走査面に結像するときに発生する諸収差を良好に補正し、高い結像性能を得ている。画像形成装置として、複数色に対応する潜像を独立した像担持体に形成するタンデム型画像形成装置では、1枚の光学素子を複数の像担持体に向かう走査光束で共用して全系の小型化を図っている。   In many cases, an optical element used in an imaging optical system is manufactured from a resin by injection molding. By forming the lens surface of the optical element with a complex surface shape by injection molding, various aberrations that occur when an image is formed on the surface to be scanned are corrected well, and high imaging performance is obtained. As an image forming apparatus, in a tandem type image forming apparatus that forms a latent image corresponding to a plurality of colors on independent image carriers, a single optical element is shared by scanning light beams directed toward a plurality of image carriers, and the entire system is used. The size is reduced.

タンデム型画像形成装置の多くは、複数の像担持体に向かう各々の光源からの光束を副走査方向に角度をつけて偏向手段に入射させる、所謂斜入射光学系が採用されている。これにより光学素子では、光軸を外れた位置を通過する光線を像担持対に結像させている。また、オーバーフィールド走査光学系(OFS)と呼ばれる、偏向手段の偏向面よりも主走査幅の広い光線を入射させ走査する走査光学系が利用されている。このOFSでは光束を偏向走査する画角の正面に近い角度から偏向手段に入射させる必要があり、入射・出射光の分離のため、光学素子に入射する光束には副走査方向に角度を有して入射している。   Many of the tandem type image forming apparatuses employ a so-called oblique incidence optical system in which light beams from respective light sources directed to a plurality of image carriers are incident on the deflecting unit at an angle in the sub-scanning direction. Thereby, in the optical element, the light beam passing through the position off the optical axis is imaged on the image bearing pair. In addition, a scanning optical system called an overfield scanning optical system (OFS) that scans by entering a light beam having a main scanning width wider than the deflection surface of the deflecting unit is used. In this OFS, it is necessary to cause the light beam to enter the deflecting means from an angle close to the front of the angle of view to be deflected and scanned. In order to separate incident and outgoing light, the light beam incident on the optical element has an angle in the sub scanning direction. Is incident.

OFSでは、偏向面が8面以上の多面ポリゴンミラーが用いられることが多く、多面ポリゴンミラーは偏向走査できる画角が狭い反面、1回転でより多数回の走査ができる。このため、主に高速の複写機などに用いられている。   In OFS, a polygon polygon mirror having eight or more deflection surfaces is often used, and the polygon polygon mirror has a narrow angle of view that can be deflected and scanned, but can perform a number of scans in one rotation. For this reason, it is mainly used for high-speed copying machines.

この他、画像形成装置には、ポリゴンミラーで偏向された光束が光学素子を通過し、ミラーで折り返されて再び同じ光学素子を通過、被走査面へ向かう、いわゆるダブルパス走査光学系が利用されている。このダブルパス走査光学系は1枚の光学素子を2度通過させることで光路を短縮し、かつ光学素子の枚数も削減できるため、コンパクトでより高性能な走査光学系に利用されてるい。以上紹介した走査光学系では、種々のメリットがあるが走査光束が光学素子の光軸から外れた位置を通過するため、従来のように光学素子の母線上を通過する結像光学系に比べて、光学素子の設計がより難しいことが知られている。   In addition, the image forming apparatus uses a so-called double-pass scanning optical system in which the light beam deflected by the polygon mirror passes through the optical element, is folded back by the mirror, passes again through the same optical element, and travels toward the surface to be scanned. Yes. This double-pass scanning optical system can be used in a compact and higher-performance scanning optical system because the optical path can be shortened and the number of optical elements can be reduced by passing one optical element twice. The scanning optical system introduced above has various merits, but the scanning light beam passes through a position deviated from the optical axis of the optical element. Therefore, compared with the conventional imaging optical system that passes on the bus of the optical element. It is known that the design of optical elements is more difficult.

特に像担持体上での主走査方向の走査軌跡が直線にならない「走査線湾曲」や、走査光束の結像スポットのサイズに影響を及ぼす、「スポット回転」等の問題がある。走査線湾曲が残存すると、印字された主走査方向の直線が湾曲するばかりか、特にカラー画像形成装置においてレジずれの要因になる。またスポット回転は、スポット径が収差により回折限界よりも大きくなるため、解像度の劣化、有効深度の著しい減少につながる。上記2つの問題は、走査光束が光学素子の光軸をから外れた位置を通過するため、光束の光学素子通過位置でのレンズ面傾斜角が走査画角によって変化してしまうことに起因する。   In particular, there are problems such as “scanning curve” in which the scanning trajectory in the main scanning direction on the image carrier is not a straight line, and “spot rotation” that affects the size of the imaging spot of the scanning light beam. If the scanning line curve remains, not only the printed straight line in the main scanning direction is curved, but also causes a registration error in the color image forming apparatus. Further, spot rotation leads to degradation of resolution and a significant decrease in effective depth because the spot diameter becomes larger than the diffraction limit due to aberration. The above two problems are caused by the fact that the scanning light flux passes through a position off the optical axis of the optical element, so that the lens surface inclination angle at the optical element passage position of the light flux varies depending on the scanning field angle.

近年の走査光学系では、小型化を図るため光学素子の枚数を減らしたり、高い光学性能を得るため子線方向の曲率を主走査方向に変化させた光学素子を用いているものが多い。このため、副走査方向の像面湾曲、倍率の均一性を維持しつつ走査線湾曲やスポット回転を抑えるのが大変難しくなっている。この課題を解決するため、光学素子の光学面の子線断面内で、レンズ面を通過する光線と子線面法線とのなす角が子線面の曲率とは独立に、かつ主走査方向の位置に応じて変化するよう設計する技術(子線チルト変化)が提案されている(特許文献1)。   Many recent scanning optical systems use an optical element in which the number of optical elements is reduced in order to reduce the size, or the curvature in the sub-line direction is changed in the main scanning direction in order to obtain high optical performance. For this reason, it is very difficult to suppress scanning line curvature and spot rotation while maintaining field curvature and magnification uniformity in the sub-scanning direction. In order to solve this problem, the angle formed between the ray passing through the lens surface and the normal of the ray surface within the ray cross section of the optical surface of the optical element is independent of the curvature of the ray surface and in the main scanning direction. There has been proposed a technique for designing to change in accordance with the position (subordinate tilt change) (Patent Document 1).

特開2002−214559号公報JP 2002-214559 A

特許文献1では、子線の最適なチルト変化を探索する手法が開示されていない。子線のチルト変化を設計する場合、変化係数を変数とし、走査線湾曲や波面収差が補正できるようワークステーション上で最適化を行うのが実情である。一般的に結像光学系を最適化するときは、出発点が重要になる。出発点がベストな解から大きく離れていると、最適化を行ってもローカルミニマムに収束してしまい、ベストの解に到達しないという問題がある。   Patent Document 1 does not disclose a method for searching for an optimum tilt change of a child line. When designing the tilt change of the slave line, the actual situation is that optimization is performed on the workstation so that the scan coefficient and the wavefront aberration can be corrected using the change coefficient as a variable. In general, the starting point is important when optimizing the imaging optical system. If the starting point is far from the best solution, there is a problem that even if optimization is performed, it converges to the local minimum and does not reach the best solution.

本発明は、走査光学系で用いられるfθ特性を有する結像光学系を構成する光学素子の最適な子線のチルト変化を解析的な計算によって容易に求めることができる光学素子の設計方法の提供を目的とする。   The present invention provides an optical element design method capable of easily obtaining the optimum change in the tilt of a child line of an optical element constituting an imaging optical system having an fθ characteristic used in a scanning optical system by analytical calculation. With the goal.

本発明の光学素子の設計方法は、偏向手段で偏向走査される光束を被走査面に結像する結像光学系に用いられる光学素子の設計方法において、
該光学素子は、光学面の子線断面内で、該光学面を通過する光線と子線面法線とのなす角が子線の曲率とは独立に、主走査方向の位置に応じて変化する光学面を有し、
該光学面の子線断面内において、該子線上の任意の点における子線面法線の傾き角の単位傾き角あたりの入射光束の副走査方向の照射位置ずれとの比を照射位置ずれ敏感度とし、
該傾き角が主走査方向の位置に応じて変化する変化率あたりの波面収差の変化量の比を波面収差敏感度とするとき、波面収差敏感度を各光学面ごとで、かつ主走査方向の複数の位置で算出する算出工程と、
各光学面における照射位置ずれ敏感度と傾き角の積の総和が、残存する副走査方向の照射位置ずれを補正するよう、主走査方向の複数の位置で方程式を立てる方程式作成工程と、
各光学面における波面収差敏感度と傾き角の変化率の積の総和が、残存する波面収差を補正するよう、主走査方向の複数の位置で方程式を立てる補正方程式作成工程と
該補正方程式作成工程で立てた方程式から、波面収差を補正するための傾き角の変化を求める傾き角算出工程と、
を有することを特徴としている。
An optical element design method of the present invention is an optical element design method used in an imaging optical system that forms an image on a surface to be scanned with a light beam deflected and scanned by a deflection means.
In the optical element, the angle between the ray passing through the optical surface and the normal of the child surface changes within the sub-line cross section of the optical surface according to the position in the main scanning direction independently of the curvature of the child wire. An optical surface to
Within the sub-line cross section of the optical surface, the ratio of the incident beam deviation per unit inclination angle of the sub-line surface normal at any point on the optical axis to the irradiation position deviation in the sub-scanning direction is sensitive to the irradiation position deviation. Degree and
When the ratio of the amount of change in wavefront aberration per rate of change in which the tilt angle changes according to the position in the main scanning direction is defined as wavefront aberration sensitivity, the wavefront aberration sensitivity is set for each optical surface and in the main scanning direction. A calculation step of calculating at a plurality of positions;
An equation creating step for formulating equations at a plurality of positions in the main scanning direction so that the sum of products of the irradiation position deviation sensitivity and the inclination angle in each optical surface corrects the remaining irradiation position deviation in the sub-scanning direction;
A correction equation creating step for creating an equation at a plurality of positions in the main scanning direction so that the sum of products of wavefront aberration sensitivity and inclination angle change rate on each optical surface corrects the remaining wavefront aberration, and the correction equation creating step An inclination angle calculating step for obtaining a change in inclination angle for correcting wavefront aberration from the equation established in
It is characterized by having.

本発明によれば、走査光学系で用いられるfθ特性を有する結像光学系を構成する光学素子の最適な子線のチルト変化を解析的な計算によって容易に求めることができる光学素子の設計方法が得られる。   According to the present invention, an optical element design method capable of easily obtaining the optimum change in the tilt of a child line of an optical element constituting an imaging optical system having an fθ characteristic used in a scanning optical system by analytical calculation Is obtained.

本発明による光学素子の設計方法のフローチャートである4 is a flowchart of a method for designing an optical element according to the present invention. スポット回転の起きている様子を示した説明図であるIt is explanatory drawing which showed a mode that the spot rotation has occurred スポット回転が起きているときの波面収差を示す説明図であるIt is explanatory drawing which shows the wavefront aberration when spot rotation has occurred 実施例1の走査光学系の要部説明図であるFIG. 3 is an explanatory diagram of a main part of the scanning optical system of Example 1. 実施例1の走査光学系のfθレンズにおける、光線通過領域を説明する説明図であるFIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a light ray passage region in the fθ lens of the scanning optical system of Example 1. 実施例1のフローチャートにおける、初期の走査線湾曲、45゜アスを示す説明図であるIt is explanatory drawing which shows the initial scanning line curve and 45 degree asphalt in the flowchart of Example 1. FIG. 実施例1のフローチャートにおける、走査線湾曲、45゜アスの変移を示す説明図であるIt is explanatory drawing which shows the scanning line curve and the 45-degree ass transition in the flowchart of Example 1. 実施例1のフローチャートにおける、走査線湾曲、45゜アスの変移を示す説明図であるIt is explanatory drawing which shows the scanning line curve and the 45-degree ass transition in the flowchart of Example 1. 実施例1のフローチャートにおける、走査線湾曲、45゜アスの変移を示す説明図であるIt is explanatory drawing which shows the scanning line curve and the 45-degree ass transition in the flowchart of Example 1. 実施例1の走査光学系における、設計完了後のスポットを示す説明図であるFIG. 6 is an explanatory diagram showing spots after design completion in the scanning optical system of Example 1. 実施例1の走査光学系を搭載した画像形成装置を説明する説明図である2 is an explanatory diagram illustrating an image forming apparatus equipped with the scanning optical system of Example 1. FIG.

以下に、本発明の好ましい実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の光学素子の設計方法は、光走査装置において、偏向手段で偏向走査される光束を被走査面に結像する結像光学系に用いられる光学素子の設計方法である。光学素子は、光学面の子線断面内で、光学面を通過する光線と子線面法線とのなす角が主走査方向の位置Yに応じて又は子線の曲率と独立に変化する光学面を有する。光学面の子線断面内において、子線上の任意の点における子線面法線の傾き角をφとし、単位傾き角φoあたりの入射光束の副走査方向の照射位置ずれPoとの比dPo/φφoを照射位置ずれ敏感度Aとする。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The optical element design method of the present invention is an optical element design method used in an imaging optical system that forms an image on a surface to be scanned with a light beam deflected and scanned by a deflecting unit in an optical scanning device. The optical element is an optical element in which the angle formed between the ray passing through the optical surface and the normal of the child surface in the subsection of the optical surface changes according to the position Y in the main scanning direction or independently of the curvature of the child wire. Has a surface. In the cross section of the optical surface, the inclination angle of the normal of the child plane at an arbitrary point on the optical axis is φ, and the ratio dPo / of the incident light flux per unit inclination angle φo to the irradiation position deviation Po in the sub-scanning direction. Let φφo be the irradiation position deviation sensitivity A.

傾き角φが主走査方向の位置Yに応じて変化する変化率dφ/dY(単位チルト)あたりの波面収差の変化量の比を波面収差敏感度Bとするとき、波面収差敏感度Bを各光学面ごとで、かつ主走査方向の複数の位置Yで算出する算出工程とを有する。算出工程で波面収差敏感度を算出し補正係数を求めるときの波面収差は45゜方向のアスである。各光学面における照射位置ずれ敏感度Aと傾き角φの積の総和(Pz、式3.1)が、残存する副走査方向の照射位置ずれPを補正するよう、主走査方向の複数の位置で方程式を立てる方程式作成工程とを有する。   When the wavefront aberration sensitivity B is the ratio of the change amount of the wavefront aberration per rate of change dφ / dY (unit tilt) at which the inclination angle φ changes according to the position Y in the main scanning direction, the wavefront aberration sensitivity B is And a calculation step for calculating at a plurality of positions Y in the main scanning direction for each optical surface. The wavefront aberration at the time of calculating the wavefront aberration sensitivity in the calculation step and obtaining the correction coefficient is ass in the 45 ° direction. A plurality of positions in the main scanning direction so that the sum (Pz, Equation 3.1) of the product of the irradiation position deviation sensitivity A and the inclination angle φ on each optical surface corrects the remaining irradiation position deviation P in the sub-scanning direction. And an equation creation step for establishing an equation.

各光学面における波面収差敏感度Bと傾き角φの変化率dφ/dYの積の総和(条件式3.2)が、残存する波面収差を補正するよう、主走査方向の複数の位置Yで方程式を立てる補正方程式作成工程とを有する。補正方程式作成工程で立てた方程式から、波面収差を補正するための傾き角φの変化を求める傾き角算出工程とを有する。傾き角算出工程で求めた子線面法線の傾き角φの変化を光学面形状に導入し、他の収差も含め光学素子の光学面の外形状の最適化を行う最適化工程を有する。   The sum of the products of the wavefront aberration sensitivity B and the change rate dφ / dY of the tilt angle φ on each optical surface (conditional expression 3.2) at a plurality of positions Y in the main scanning direction so as to correct the remaining wavefront aberration. A correction equation creating step for establishing an equation. An inclination angle calculating step for obtaining a change in the inclination angle φ for correcting the wavefront aberration from the equation established in the correction equation creating step. There is an optimization step for introducing the change in the inclination angle φ of the child surface normal obtained in the inclination angle calculation step into the optical surface shape and optimizing the outer shape of the optical surface of the optical element including other aberrations.

[実施例1]
以下、図と式を参照しながら、本発明の実施例1による、光学素子の設計方法について説明する。光学素子としては走査光学系の結像光学系で用いるfθレンズを対象としている。図1は、本発明の実施例1における光学素子の設計方法のフローチャート図である。ここで、レンズ面の傾き角としてのチルトφは光軸方向をX、主走査方向をY、副走査方向をZとする。初期のチルトをM、光学面上の主走査方向の位置Yのn乗の値に応じて変化する時の係数をMnとすると、チルトφは以下の式1.1のように表される。
[Example 1]
Hereinafter, a method for designing an optical element according to Example 1 of the present invention will be described with reference to the drawings and equations. As an optical element, an fθ lens used in an imaging optical system of a scanning optical system is targeted. FIG. 1 is a flowchart of an optical element designing method in Embodiment 1 of the present invention. Here, the tilt φ as the tilt angle of the lens surface is X in the optical axis direction, Y in the main scanning direction, and Z in the sub scanning direction. If the initial tilt is M 0 , and the coefficient when changing according to the value of the nth power of the position Y in the main scanning direction on the optical surface is Mn, the tilt φ is expressed by the following formula 1.1. .

また、チルト変化率dφ/dYは、チルトφの位置Yによる1階微分として以下の式1.1、1.2のように表せる。   Further, the tilt change rate dφ / dY can be expressed as the following equations 1.1 and 1.2 as a first-order derivative with respect to the position Y of the tilt φ.

本実施例ではチルトφの表現をYの多項式とし、係数Mを0から始まる偶数の値で定義したが、本実施例におけるチルトφの変化は、他の表現式でも定義可能である。
また、本実施例での走査線湾曲とは、各軸外評価像高における副走査方向の照射位置の、軸上像高の照射位置との差である。また波面収差は、スポット回転を定量化する指標として、アジムス45度方向の波面収差量差(以下45゜アス)である。ここで、アジムス45度方向の波面収差量差について説明する。スポット回転はアジムス±45°の波面収差のバランスが崩れた場合に発生する。
In this embodiment, the expression of tilt φ is a polynomial of Y, and the coefficient M is defined as an even value starting from 0. However, the change of the tilt φ in this embodiment can also be defined by other expressions.
In addition, the scanning line curvature in this embodiment is a difference between the irradiation position in the sub-scanning direction at each off-axis evaluation image height and the irradiation position at the on-axis image height. The wavefront aberration is a wavefront aberration amount difference (hereinafter referred to as 45 ° ass) in the azimuth 45 degree direction as an index for quantifying the spot rotation. Here, the wavefront aberration amount difference in the azimuth 45 degree direction will be described. Spot rotation occurs when the balance of azimuth ± 45 ° wavefront aberrations is lost.

図2(a)、(b)は走査光束の結像スポットにスポット回転が発生している場合のスポット形状を示している。結像スポットが図2(b)に示すような状態になると主走査方向、副走査方向ともにスポット径が拡大し、有効深度が著しく減少する。   FIGS. 2A and 2B show spot shapes in the case where spot rotation occurs in the imaging spot of the scanning light beam. When the imaging spot is in a state as shown in FIG. 2B, the spot diameter is enlarged in both the main scanning direction and the sub-scanning direction, and the effective depth is remarkably reduced.

図3(a)、(b)は図2(b)のようなスポット回転が発生している状態での単位円に規格化したfθレンズの瞳上における波面収差を図示したものである。図3(a)に示すように、波面は走査方向に対し斜めにアスが乗ったような、“ねじれた”波面収差となっており、この収差を定量化するため主走査方向をアジムス0度、副走査方向をアジムス90度として、その中間の±45度方向のアジムスを考える。   FIGS. 3A and 3B illustrate wavefront aberrations on the pupil of an fθ lens normalized to a unit circle in a state where spot rotation occurs as shown in FIG. 2B. As shown in FIG. 3 (a), the wavefront is a “twisted” wavefront aberration that appears as if diagonally tilted with respect to the scanning direction. In order to quantify this aberration, the main scanning direction is azimuth 0 degrees. Suppose that the azimuth is 90 degrees in the sub-scanning direction, and azimuth in the direction of ± 45 degrees in the middle is considered.

図3(b)は、図3(a)のアジムス45度方向および−45度方向の断面図である。図3(b)のように、そのアジムスにおける2本のマージナル光線の波面収差をそれぞれ、Wa(u), Wa(l) とし、波面収差のハロ成分をWa(u)−Wa(l)とする。±45度方向アジムスにおける波面収差のハロ成分をそれぞれ   FIG. 3B is a cross-sectional view of the azimuth 45-degree direction and the −45-degree direction of FIG. As shown in FIG. 3B, the wavefront aberrations of the two marginal rays in the azimuth are Wa (u) and Wa (l), respectively, and the halo component of the wavefront aberration is Wa (u) -Wa (l). To do. Each halo component of wavefront aberration in ± 45 degrees azimuth

としたとき、アジムス45度方向の波面収差量差: , Azimuth 45 degree wavefront aberration amount difference:

として定義し、以後45゜アスと呼ぶ。 And will be referred to as 45 ° ass.

本実施例では、45゜アスを以上のように定義したが、いわゆる波面ねじれを表す他の表現式でも定義可能である。この45゜アスが0であればスポット回転は発生していないといえる。まず図1のステップ1において、チルト変化を設定するレンズ面に対し微小角のチルトを与え、複数の評価像高における副走査方向の照射位置変化を算出し、単位チルトあたりの照射位置変化、例えばチルト1分あたりの照射位置ずれ敏感度Aを求める。   In the present embodiment, the 45 ° ass are defined as described above, but other expression formulas representing so-called wavefront twists can also be defined. It can be said that spot rotation has not occurred if the 45 ° asphalt is zero. First, in step 1 of FIG. 1, a slight angle tilt is given to the lens surface for setting the tilt change, the irradiation position change in the sub-scanning direction at a plurality of evaluation image heights is calculated, and the irradiation position change per unit tilt, for example, An irradiation position shift sensitivity A per minute of tilt is obtained.

また同様に微小チルト変化を与え、波面収差の差分、例えば1mmあたりチルト(傾き角)φが1分変化するときの45゜アス敏感度(波面収差敏感度B)を求める。ステップ1は照射位置ずれ敏感度Aと波面収差敏感度Bを算出する算出工程である。ステップ2はステップ1で求めた敏感度A、Bから、走査線湾曲および45゜アス(45°方向のアス)を補正するよう(照射位置、波面収差を補正する)方程式を立てる方程式作成工程である。   Similarly, a minute tilt change is given, and the difference in wavefront aberration, for example, 45 ° ass sensitivity (wavefront aberration sensitivity B) when the tilt (tilt angle) φ changes by 1 minute is obtained. Step 1 is a calculation step for calculating the irradiation position deviation sensitivity A and the wavefront aberration sensitivity B. Step 2 is an equation creation process for establishing an equation (correcting irradiation position and wavefront aberration) to correct the scanning line curvature and 45 ° ass (45 ° ass) from the sensitivities A and B obtained in Step 1. is there.

ステップ2で立てる方程式作成工程は、まず式3.1のようにある像高に向かう光線について、チルト変化を設定した面の通過位置におけるチルト(傾き角)φと副走査方向の照射位置ずれ敏感度Aの積を各レンズ面で総和する。この総和したものが、現存の副走査照射位置ずれを補正する複数の像高で所望の値Pzになる式である。また式3.2のようにチルト変化を設定したレンズ面の通過位置におけるチルト変化と45゜アス敏感度(波面収差敏感度)Bの積を各レンズ面で総和する。この総和したものが、現存の45゜アス(45°方向のアス)を補正する所望の値P45AS(式3.4)になるような補正方程式作成工程である。 The equation creation process established in step 2 is as follows. First, with respect to a light beam directed to an image height as shown in equation 3.1, the tilt (tilt angle) φ at the passing position of the surface where the tilt change is set and the irradiation position deviation sensitivity in the sub-scanning direction The product of degree A is summed up at each lens surface. The sum of these is an expression that achieves a desired value Pz at a plurality of image heights for correcting the existing sub-scanning irradiation position deviation. Further, the product of the tilt change at the passing position of the lens surface where the tilt change is set as shown in Equation 3.2 and 45 ° ass sensitivity (wavefront aberration sensitivity) B is summed for each lens surface. This summation is the correction equation creation step that makes the desired value P 45AS (formula 3.4) to correct the existing 45 ° ass (45 ° direction ass).

尚、波面収差敏感度Bを算出し、補正する波面収差は45°方向のアスである。よって、ひとつの評価像高あたり、走査線湾曲と45゜アスについて以下のように2本の式がたつことになる。   The wavefront aberration sensitivity B is calculated and corrected. Therefore, for each evaluation image height, the following two equations are obtained for the scanning line curvature and 45 ° assemble.

ステップ3では上述した2式のチルト(傾き角)φを1式に従い式3.3、式3.4のように展開し、これら走査線湾曲と45゜アスを補正するチルト変化の係数Mを変数として求めることである。ステップ3はチルト角φの変化を求める傾き角算出工程である。   In step 3, the above-described two types of tilt (tilt angle) φ are expanded as shown in equations 3.3 and 3.4 according to equation 1, and a coefficient of tilt change M for correcting these scanning line curvature and 45 ° astigmatism is obtained. It is to obtain as a variable. Step 3 is a tilt angle calculation step for obtaining a change in the tilt angle φ.

この連立1次方程式では、1像高について2本の式が立ち、k枚のチルト変化面において変数Mが1面あたりn個あるため、合計k×n個あることになる。像高によってレンズ面のチルト変化係数Mが変化するわけではないため、この方程式の変数Mを確定するためには評価する像高を増やし、方程式の数を増やせばよいことになる。さらに言えば、式の数とチルト変化係数の数を合わせることで、各々のチルト変化の係数Mを一意に求めることができるし、式を係数の数より多く立てて、求まる解に制約条件を加えてもよい。   In this simultaneous linear equation, there are two equations for one image height, and there are n variables M per surface in the k tilt change surfaces, so that there are a total of k × n. Since the tilt change coefficient M of the lens surface does not change depending on the image height, in order to determine the variable M of this equation, it is only necessary to increase the image height to be evaluated and increase the number of equations. Furthermore, by combining the number of equations and the number of tilt change coefficients, it is possible to uniquely determine the coefficient M of each tilt change, and by setting the equation more than the number of coefficients, a constraint condition is imposed on the obtained solution. May be added.

ステップ4では、ステップ3で求めたチルト変化の係数Mを実際に代入して(面形状に導入し)結像光学系のシミュレーションを行い、チルトφが変化したことによる像面湾曲その他の性能(他の収差)を取る最適化工程である。これは特にチルト変化面が走査光学系における最終レンズの最終面である場合を除き、チルト変化によって後続のレンズ面での光線通過位置が変化するため、主走査方向、副走査方向ともに他の収差が変化するためである。ここで、ステップ3において修正したチルト変化量が小さい場合など、ステップ3で求めた非球面係数を適用した時点で目標性能に十分達している場合は、ステップ4の工程を省いても良い。ステップ5の性能チェック工程へ進んでも良い。   In step 4, the tilt change coefficient M obtained in step 3 is actually substituted (introduced into the surface shape) to simulate the imaging optical system, and the field curvature and other performance due to the change in tilt φ ( This is an optimization process for taking other aberrations. This is because, unless the tilt change surface is the final surface of the final lens in the scanning optical system, the light passing position on the subsequent lens surface changes due to the tilt change. This is because of changes. Here, when the target performance is sufficiently reached when the aspheric coefficient obtained in step 3 is applied, such as when the amount of tilt change corrected in step 3 is small, the step 4 may be omitted. You may proceed to the performance check process in step 5.

以上で説明した光学素子の設計方法の具体的な実施例を説明する。図4(a)、(b)は本実施例の設計方法を用いて設計された光学素子(fθレンズ)を含む走査光学装置を説明する図である。図4(a)は主走査断面図、図4(b)は副走査断面図である。半導体レーザを用いた光源装置101から射出した光束は、コリメータレンズ102により略平行光束に変換され、副走査方向にのみパワーを持つシリンダレンズ103にて副走査方向に集束する光に変換される。   A specific example of the optical element design method described above will be described. 4A and 4B are diagrams illustrating a scanning optical apparatus including an optical element (fθ lens) designed using the design method of the present embodiment. 4A is a main scanning sectional view, and FIG. 4B is a sub-scanning sectional view. A light beam emitted from the light source device 101 using a semiconductor laser is converted into a substantially parallel light beam by the collimator lens 102 and converted into light focused in the sub-scanning direction by the cylinder lens 103 having power only in the sub-scanning direction.

シリンダレンズ103を通過した光束は光偏向器104の偏向面上に主走査方向に長い焦線を形成し、その後、偏向走査され、結像光学系を構成する光学素子(走査レンズ)105に向かう。以下、光学素子105を走査レンズともいう。走査レンズ105を一旦通過した光束は、折り返しミラー106により光路を折り返され、再び走査レンズ105を通過し被走査面である感光ドラム107上を走査結像する。光偏向器104の偏向面上に形成された焦線と被走査面107での像は副走査方向に共役な関係になっており、いわゆる光偏向器の面倒れ補正光学系を形成している。   The light beam that has passed through the cylinder lens 103 forms a long focal line in the main scanning direction on the deflecting surface of the optical deflector 104, and is then deflected and scanned toward the optical element (scanning lens) 105 constituting the imaging optical system. . Hereinafter, the optical element 105 is also referred to as a scanning lens. The light beam that has once passed through the scanning lens 105 is returned to the optical path by the folding mirror 106, passes through the scanning lens 105 again, and forms a scanning image on the photosensitive drum 107 that is the surface to be scanned. The focal line formed on the deflecting surface of the optical deflector 104 and the image on the scanned surface 107 have a conjugate relationship in the sub-scanning direction, and form a so-called surface deflection correcting optical system for the optical deflector. .

走査レンズ105は、折り返しミラー106側の面105bが副走査方向にパワーを持たず、光学面全面に渡って連続な面で形成されている。また光偏向器104側の面は下段面105aが副走査断面内でマイナス、上段面105cはプラスのパワーを持つ、複合多段面となっている。面105a、105cでは副走査方向の像面湾曲、倍率の均一性を保ちつつ、走査線湾曲や波面収差を補正するために、主走査方向に曲率が変化し、かつ母線を軸にチルトが変化する面で構成されている。   In the scanning lens 105, the surface 105b on the folding mirror 106 side has no power in the sub-scanning direction, and is formed as a continuous surface over the entire optical surface. Further, the surface on the optical deflector 104 side is a composite multi-step surface in which the lower step surface 105a has a minus power in the sub-scan section and the upper step surface 105c has a plus power. In order to correct the scanning line curvature and wavefront aberration while maintaining the field curvature and magnification uniformity in the sub-scanning direction on the surfaces 105a and 105c, the curvature changes in the main scanning direction and the tilt changes around the generatrix. It is composed of the surface to be.

走査レンズ105の面において、光偏向器104から走査レンズ105に入射する走査光、レンズ105から射出し被走査面107に向かう走査光の走査軌跡は図5のようになる。下段面105aを光偏向器104から入射する光線が通過し、上段面105cを2度目に走査レンズ105を通過し射出する光線が通過する。   On the surface of the scanning lens 105, the scanning trajectory of the scanning light incident on the scanning lens 105 from the optical deflector 104 and the scanning light emitted from the lens 105 toward the scanned surface 107 is as shown in FIG. A light beam incident from the optical deflector 104 passes through the lower surface 105a, and a light beam that passes through the scanning lens 105 for the second time passes through the upper surface 105c.

本実施例のように、一つの走査レンズに光線を2回通過させることで、コンパクトな光学系となり、単玉走査レンズの系に比べてより多くの光学面を用いて各種収差を補正することができる。本実施例の光学配置、及びレンズの数値実施例を表1、表2に示す。走査レンズ105の各光学面の母線形状は、16次までの関数として表せる非球面形状により構成している。走査レンズ105と光軸との交点を原点とし、光軸方向をX軸、主走査断面内において光軸と直交する軸をY軸としたとき、主走査方向と対応する母線方向が、   As in this embodiment, by passing the light beam twice through one scanning lens, it becomes a compact optical system, and various aberrations are corrected by using more optical surfaces than a single scanning lens system. Can do. Tables 1 and 2 show the optical arrangement of the present example and numerical examples of the lens. The generatrix shape of each optical surface of the scanning lens 105 is constituted by an aspheric shape that can be expressed as a function up to the 16th order. When the intersection of the scanning lens 105 and the optical axis is the origin, the optical axis direction is the X axis, and the axis perpendicular to the optical axis in the main scanning section is the Y axis, the generatrix direction corresponding to the main scanning direction is

なる式で表されるものである。
また、主走査方向に光軸からY離れた位置における子線が、
It is expressed by the following formula.
Also, a child line at a position Y away from the optical axis in the main scanning direction is

なる式で表されるものである。
(但し、D,E,Mは子線変化係数および子線非球面係数)
本実施例では光源手段101として波長λ=790nmの光束を発する赤外光源を用い、有効走査全域において主走査方向及び副走査方向の像面湾曲を共に良好に補正している。尚、本実施例では走査レンズ105の面形状を、レンズ上Y位置に応じてチルト変化が設定できる上記数式にて定義したが、本実施例における非球面は、他の表現式でも定義可能である。また光学面の子線断面内で、光学面を通過する光線と子線面法線とのなす角が子線の曲率と独立にかつ主走査方向の位置に応じて変化するものでも良い。
It is expressed by the following formula.
(However, D, E, and M are sub-wire change coefficients and sub-surface aspheric coefficients)
In the present embodiment, an infrared light source that emits a light beam having a wavelength λ = 790 nm is used as the light source means 101, and both the field curvature in the main scanning direction and the sub-scanning direction are corrected well over the entire effective scanning area. In the present embodiment, the surface shape of the scanning lens 105 is defined by the above formula that can set the tilt change according to the Y position on the lens, but the aspherical surface in the present embodiment can also be defined by another expression. is there. Further, the angle formed between the ray passing through the optical surface and the normal of the child surface in the sub-line cross section of the optical surface may change independently of the curvature of the child wire and according to the position in the main scanning direction.

本実施例における走査レンズ105では、上段の光学面105Cにおいて、光線が光軸から離れた位置を通過している。走査レンズ105のR1面(105a)、R4面(105c)は、結像光学系の副走査倍率を低減するためにそれぞれ副走査断面内で負、正の屈折力となり、一体の鏡面駒で光学有効部を形成することができないため、各面を別の鏡面駒で成形を行っている。   In the scanning lens 105 of this embodiment, the light beam passes through a position away from the optical axis on the upper optical surface 105C. The R1 surface (105a) and R4 surface (105c) of the scanning lens 105 have negative and positive refracting powers in the sub-scan section in order to reduce the sub-scan magnification of the imaging optical system. Since the effective portion cannot be formed, each surface is formed by another mirror piece.

このため、R1面(105a)とR4面(105c)のつなぎ目に不連続部分が生じており、このつなぎ目部分に光線がかからぬよう、R4面での光線通過位置を上方に跳ね上げる必要があった。また、走査レンズ105から射出し被走査面101に向かう光線がポリゴンミラー104やその軸に干渉することが無いようR4面からの射出光を上方に飛ばす必要があった。   For this reason, there is a discontinuous portion at the joint between the R1 surface (105a) and the R4 surface (105c), and it is necessary to jump up the light beam passage position on the R4 surface so that no light rays are applied to the joint portion. there were. Further, it is necessary to radiate light emitted from the R4 surface upward so that the light beam emitted from the scanning lens 105 and directed to the surface to be scanned 101 does not interfere with the polygon mirror 104 or its axis.

しかしながら、R4面から射出する光線が上方に行き過ぎると、被走査面107の位置と結像光学系の相対位置制限を超えてしまうため、R4面通過位置はできる限り上方へ上げ、そこから光線を下方に屈折させる面の配置となっている。この結像光学系では走査レンズ105のR4面において、光線が面の光軸から離れた位置を通過しており、走査レンズのR1面と合わせて子線チルト変化を導入している。表1に、本実施例における設計方法の適用前の各面配置、非球面係数を示し、図6に、設計初期段階の走査線湾曲、45゜アス分布を示す。   However, if the light beam emitted from the R4 surface goes too far, the position of the scanned surface 107 and the relative position limit of the imaging optical system are exceeded, so the R4 surface passing position is raised as much as possible, and the light beam is emitted from there. The surface is refracted downward. In this imaging optical system, the light beam passes through a position away from the optical axis of the surface on the R4 surface of the scanning lens 105, and a change in the child line tilt is introduced together with the R1 surface of the scanning lens. Table 1 shows the surface arrangement and aspherical coefficients before the application of the design method in the present embodiment, and FIG. 6 shows the scanning line curve and 45 ° distribution at the initial stage of design.

次に図1のフローに沿って各ステップの具体的な内容について説明する。
・ステップ1 敏感度算出:
表2に、フローチャートのステップ1に則り算出した単位チルトあたりの照射位置ずれ敏感度A、すなわちチルト角1分あたりの照射位置ずれ敏感度A、1mmあたりチルトφが1分変化するときの45゜アス敏感度を示す。
Next, the specific contents of each step will be described along the flow of FIG.
・ Step 1 Sensitivity calculation:
Table 2 shows the irradiation position deviation sensitivity A per unit tilt calculated in accordance with Step 1 of the flowchart, that is, the irradiation position deviation sensitivity A per 1 minute of the tilt angle, and 45 ° when the tilt φ changes per minute by 1 minute. Indicates asthma sensitivity.

単位チルトあたりの照射位置ずれ敏感度は、走査レンズ105の子線定義式におけるM0,1に微小量与え、それによる像面での照射位置変化から、チルト1分あたりの照射位置ずれ敏感度を求めたものである。走査レンズ105の子線定義式におけるM0,1はレンズ上Y(主走査方向)位置によらず一定で、Z(副走査方向)によってサグ量が1次で変化する、一律のチルトを表現する係数である。また、単位チルト変化あたりの45゜アス敏感度は、レンズの子線定義式におけるMn,1に微小な値を与え、45゜アスの変化から1mmあたりチルトφが1分変化するときの45゜アス敏感度を求めたものである。   The irradiation position deviation sensitivity per unit tilt is given to M0,1 in the sub-line definition formula of the scanning lens 105, and the irradiation position deviation sensitivity per one minute of tilt is calculated from the irradiation position change on the image plane. It is what I have sought. M0,1 in the sub-line definition formula of the scanning lens 105 is constant regardless of the Y (main scanning direction) position on the lens, and expresses a uniform tilt in which the sag amount changes linearly according to Z (sub scanning direction). It is a coefficient. Further, the 45 ° ass sensitivity per unit tilt change gives a minute value to Mn, 1 in the lens sub-line definition formula, and 45 ° when the tilt φ changes by 1 minute per 1 mm from the change in 45 ° ass. This is a measure of asthma sensitivity.

走査レンズの子線定義式におけるMn,1はレンズ上Y(主走査方向)座標値のn乗に比例して、Z(副走査方向)によってチルトが変化する、チルト変化を表現する係数である。軸外におけるチルト変化−45゜アス敏感度は、できるかぎり元の形状から微小な変化を与えた場合を計算して得ることが望ましい。   Mn, 1 in the sub-line definition formula of the scanning lens is a coefficient that expresses a tilt change in which the tilt changes in accordance with Z (sub-scanning direction) in proportion to the n-th power of the Y (main scanning direction) coordinate value on the lens. . It is desirable that the off-axis tilt change -45 ° ass sensitivity is obtained by calculating the minute change from the original shape as much as possible.

・ステップ2 連立方程式を立てる:
これらの敏感度から、ステップ3で説明される方程式を立てる。本実施例ではR1面Upper、LowerそれぞれにM2,1、M4,1、M6,1、M8,1、M10,1、M12,1の6つの係数を与えている。そしてR4面もUpper、LowerそれぞれにM2,1、M4,1、M6,1、M8,1、M10,1、M12,1の6つの係数を与えている。方程式を立てる像高は、±110,±105,±100,±80,±60,±40mm像高の合計12箇所で、これにより立てられる方程式は24本となる。係数の数が24のため、数学的にこれらの係数は一意に求めることができる。
・ Step 2 Set up simultaneous equations:
From these sensitivities, the equation described in Step 3 is established. In this embodiment, six coefficients M2, 1, M4, 1, M6, 1, M8, 1, M10, 1, M12, and 1 are given to the R1 surface Upper and Lower, respectively. The R4 surface also gives six coefficients M2, 1, M4, 1, M6, 1, M8, 1, M10, 1, M12, 1 to Upper and Lower, respectively. The image heights for which the equations are established are a total of 12 positions of ± 110, ± 105, ± 100, ± 80, ± 60, and ± 40 mm image heights, so that 24 equations can be established. Since the number of coefficients is 24, these coefficients can be uniquely determined mathematically.

・ステップ3 方程式を解く:
上記24本の方程式を解いた結果が表3である。表より、方程式を立てた像高では照射位置、45゜アスともに十分小さくなっていることが解る。集束計算によって解を求めたためそれぞれの係数は厳密に0ではないが、後のステップで変化するため厳密に求める必要は無い。
Step 3 Solve the equation:
Table 3 shows the results of solving the above 24 equations. From the table, it can be seen that both the irradiation position and the 45 ° asperity are sufficiently small at the image height based on the equation. Since the solution is obtained by focusing calculation, each coefficient is not exactly 0, but it does not need to be obtained exactly because it changes in a later step.

・ステップ4 諸収差補正(その他の収差の最適化):
以上で求められた子線チルト変化係数を代入してシミュレーションを行った結果が図7である。図7から、補正を試みたにもかかわらず、走査線湾曲、45゜アスが狙いどおり補正されておらず、像面湾曲も起きている。これは上流側の面のチルトが変化したことによる、下流側レンズ面における光線通過位置の変化が起きたためである。こののち、フローチャートのステップ4に則り、チルトが変化したことによる像面湾曲その他の性能を最適化によって補正する。
Step 4 Various aberration correction (optimization of other aberrations):
FIG. 7 shows the result of the simulation performed by substituting the sub-line tilt change coefficient obtained above. From FIG. 7, although the correction was attempted, the scanning line curvature and 45 ° asperity were not corrected as intended, and field curvature occurred. This is because the light beam passing position on the downstream lens surface has changed due to the change in the tilt of the upstream surface. After that, in accordance with step 4 of the flowchart, the field curvature and other performance due to the change in tilt are corrected by optimization.

・ステップ5 性能チェック:
最適化をある程度おこなった時点で、ステップ5に従い走査線湾曲、45゜アス、像面湾曲を含む諸性能のチェックを行う。表4は最適化終了時点の各面配置・非球面係数を示しており、図8はステップ4終了前後の像面湾曲、走査線湾曲、45゜アスを示すグラフである。走査線湾曲はほぼ補正されたが、軸外部に掛けて45゜アスがまだ大きく残存している。走査線湾曲は100μm以内、45゜アスは0.1λ以内、像面湾曲を2mm以内としたいので、フローチャートに従い、現時点でのレンズを用い再びステップ1からの工程を繰り返す。
-Step 5 Performance check:
When optimization is carried out to some extent, various performances including scanning line curvature, 45 ° angle and field curvature are checked according to step 5. Table 4 shows the surface arrangement and aspherical coefficients at the end of optimization, and FIG. 8 is a graph showing the field curvature, scan line curvature, and 45 ° angle before and after the end of step 4. Although the scanning line curvature is almost corrected, 45 ° asphalt still remains large outside the shaft. Since the scanning line curvature is within 100 μm, the 45 ° angle is within 0.1λ, and the field curvature is within 2 mm, the process from step 1 is repeated again using the current lens according to the flowchart.

図9には2度目の方程式を解いた解を元に行った、副走査照射位置と45゜アスのシミュレーション結果、および2度目の最適化が済んだ状態での諸性能も示している。走査線湾曲は100μm以内、45゜アスは0.1λ以内、像面湾曲を2mm以内に収まっている。この時点での各面配置、非球面係数を表5に、またシミュレーションによって計算したスポット画像を図10に示す。45゜アスを0.05λ以内に補正したことで、スポットの回転はほぼ補正されている。   FIG. 9 shows a simulation result of the sub-scanning irradiation position and 45 ° asper based on a solution obtained by solving the second equation, and various performances after the second optimization. The scanning line curvature is within 100 μm, the 45 ° angle is within 0.1λ, and the field curvature is within 2 mm. Each surface arrangement and aspheric coefficient at this time are shown in Table 5, and a spot image calculated by simulation is shown in FIG. By correcting the 45 ° angle within 0.05λ, the rotation of the spot is almost corrected.

以上のように本実施例によれば画像形成装置に用いられる光走査装置の光学素子に好適であり、最適なチルト変化を解析的に探索することで、コンパクトかつ高機能な光学素子を設計することができる。これによりコンパクトな光走査装置でかつ、諸収差を良好に補正した良好なる画像形成ができる。   As described above, according to the present embodiment, it is suitable for an optical element of an optical scanning device used in an image forming apparatus, and a compact and highly functional optical element is designed by analytically searching for an optimum tilt change. be able to. Thereby, it is possible to form a good image with a compact optical scanning device and with various aberrations corrected well.

以下に本実施例の設計方法で設計された光学素子を用いた画像形成装置を説明する。図11は、本発明の画像形成装置の実施形態を示す副走査断面の要部概略図である。図11において、符号1104は画像形成装置を示す。この画像形成装置1104には、パーソナルコンピュータ等の外部機器1117からコードデータDcが入力する。このコードデータDcは、画像形成装置1104内のプリンタコントローラ1111によって、画像データ(ドットデータ)Diに変換される。   An image forming apparatus using an optical element designed by the design method of this embodiment will be described below. FIG. 11 is a schematic diagram of a main part of a sub-scan section showing an embodiment of the image forming apparatus of the present invention. In FIG. 11, reference numeral 1104 denotes an image forming apparatus. Code data Dc is input to the image forming apparatus 1104 from an external device 1117 such as a personal computer. The code data Dc is converted into image data (dot data) Di by a printer controller 1111 in the image forming apparatus 1104.

この画像データDiは、本実施形態に示した構成を有する光走査ユニット(走査光学系)1100に入力される。そして、この光走査ユニット1100からは、画像データDiに応じて変調された光ビーム103が出射され、この光ビーム1103によって感光ドラム1101の感光面が主走査方向に走査される。   This image data Di is input to an optical scanning unit (scanning optical system) 1100 having the configuration shown in the present embodiment. The light scanning unit 1100 emits a light beam 103 modulated according to the image data Di, and the light beam 1103 scans the photosensitive surface of the photosensitive drum 1101 in the main scanning direction.

静電潜像担持体(感光体)たる感光ドラム1101は、モータ1115によって時計廻りに回転させられる。そして、この回転に伴って、感光ドラム1101の感光面が光ビーム1103に対して、主走査方向と直交する副走査方向に移動する。感光ドラム1101の上方には、感光ドラム1101の表面を一様に帯電せしめる帯電ローラ1102が表面に当接するように設けられている。そして、帯電ローラ1102によって帯電された感光ドラム1101の表面に、光走査ユニット1100によって走査される光ビーム1103が照射されるようになっている。   The photosensitive drum 1101 serving as an electrostatic latent image carrier (photoconductor) is rotated clockwise by a motor 1115. With this rotation, the photosensitive surface of the photosensitive drum 1101 moves in the sub-scanning direction orthogonal to the main scanning direction with respect to the light beam 1103. Above the photosensitive drum 1101, a charging roller 1102 for uniformly charging the surface of the photosensitive drum 1101 is provided so as to contact the surface. The surface of the photosensitive drum 1101 charged by the charging roller 1102 is irradiated with a light beam 1103 scanned by the light scanning unit 1100.

先に説明したように、光ビーム1103は、画像データDiに基づいて変調されており、この光ビーム1103を照射することによって感光ドラム1101の表面に静電潜像を形成せしめる。この静電潜像は、上記光ビーム1103の照射位置よりもさらに感光ドラム1101の回転方向の下流側で感光ドラム1101に当接するように配設された現像器1107によってトナー像として現像される。   As described above, the light beam 1103 is modulated based on the image data Di, and an electrostatic latent image is formed on the surface of the photosensitive drum 1101 by irradiating the light beam 1103. This electrostatic latent image is developed as a toner image by a developing device 1107 disposed so as to be in contact with the photosensitive drum 1101 further downstream in the rotation direction of the photosensitive drum 1101 than the irradiation position of the light beam 1103.

現像器1107によって現像されたトナー像は、感光ドラム1101の下方で、感光ドラム1101に対向するように配設された転写ローラ1108によって被転写材たる用紙1112上に転写される。用紙1112は感光ドラム1101の前方(図11において右側)の用紙カセット1109内に収納されているが、手差しでも給紙が可能である。用紙カセット1109の端部には、給紙ローラ1110が配設されており、用紙カセット1109内の用紙1112を搬送路へ送り込む。   The toner image developed by the developing device 1107 is transferred onto a sheet 1112 as a transfer material by a transfer roller 1108 disposed below the photosensitive drum 1101 so as to face the photosensitive drum 1101. The paper 1112 is stored in a paper cassette 1109 in front of the photosensitive drum 1101 (on the right side in FIG. 11), but can be fed manually. A paper feed roller 1110 is disposed at the end of the paper cassette 1109 and feeds the paper 1112 in the paper cassette 1109 into the transport path.

以上のようにして、未定着トナー像を転写された用紙112はさらに感光ドラム1101後方(図において左側)の定着器へと搬送される。定着器は内部に定着ヒータ(図示せず)を有する定着ローラ1113とこの定着ローラ1113に圧接するように配設された加圧ローラ1114とで構成されている。そして転写ローラ1110から搬送されてきた用紙1112を定着ローラ1113と加圧ローラ1114の圧接部にて加圧しながら加熱することにより用紙1112上の未定着トナー像を定着せしめる。更に定着ローラ1113の後方には排紙ローラ1116が配設されており、定着された用紙1112を画像形成装置の外に排出せしめる。   As described above, the sheet 112 on which the unfixed toner image has been transferred is further conveyed to a fixing device behind the photosensitive drum 1101 (left side in the drawing). The fixing device includes a fixing roller 1113 having a fixing heater (not shown) therein and a pressure roller 1114 disposed so as to be in pressure contact with the fixing roller 1113. Then, the sheet 1112 conveyed from the transfer roller 1110 is heated while being pressed at the pressure contact portion between the fixing roller 1113 and the pressure roller 1114 to fix the unfixed toner image on the sheet 1112. Further, a paper discharge roller 1116 is disposed behind the fixing roller 1113, and the fixed paper 1112 is discharged out of the image forming apparatus.

図11においては図示していないが、プリントコントローラ1111は、先に画像データの変換だけでなく、モータ1115を始め画像形成装置1104内の各部や、光走査ユニット1100内のポリゴンモータなどの制御を行う。   Although not shown in FIG. 11, the print controller 1111 controls not only the conversion of the image data but also the various parts in the image forming apparatus 1104 including the motor 1115 and the polygon motor in the optical scanning unit 1100. Do.

以上のように本実施例によれば、光学素子設計方法で設計されたレンズ(光学素子)は光走査装置、特に画像形成装置に用いられる光走査装置に好適である。また最適なチルト変化を解析的に探索することで、高機能なレンズを設計することができ、レンズ枚数低減によるコンパクト化の可能性も秘めており、コンパクトでかつ、諸収差を良好に補正した光走査装置を構成することができる。   As described above, according to this embodiment, the lens (optical element) designed by the optical element design method is suitable for an optical scanning device, particularly an optical scanning device used in an image forming apparatus. By searching for the optimal tilt change analytically, it is possible to design a high-performance lens, and there is a possibility of downsizing by reducing the number of lenses, which is compact and has various aberrations corrected well. An optical scanning device can be configured.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

101 光源 102 コリメータレンズ 103 シリンドリカルレンズ
104 ポリゴンミラー 105 fθレンズ 106 折り返しミラー
107 被走査面 105a R1面(下段) 105b R2・3面
105c R4面(上段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Light source 102 Collimator lens 103 Cylindrical lens 104 Polygon mirror 105 f (theta) lens 106 Folding mirror 107 Scanned surface 105a R1 surface (lower stage) 105b R2 / 3 surface 105c R4 surface (upper stage)

Claims (5)

偏向手段で偏向走査される光束を被走査面に結像する結像光学系に用いられる光学素子の設計方法において、
該光学素子は、光学面の子線断面内で、該光学面を通過する光線と子線面法線とのなす角が子線の曲率とは独立に、主走査方向の位置に応じて変化する光学面を有し、
該光学面の子線断面内において、該子線上の任意の点における子線面法線の傾き角の単位傾き角あたりの入射光束の副走査方向の照射位置ずれとの比を照射位置ずれ敏感度とし、
該傾き角が主走査方向の位置に応じて変化する変化率あたりの波面収差の変化量の比を波面収差敏感度とするとき、波面収差敏感度を各光学面ごとで、かつ主走査方向の複数の位置で算出する算出工程と、
各光学面における照射位置ずれ敏感度と傾き角の積の総和が、残存する副走査方向の照射位置ずれを補正するよう、主走査方向の複数の位置で方程式を立てる方程式作成工程と、
各光学面における波面収差敏感度と傾き角の変化率の積の総和が、残存する波面収差を補正するよう、主走査方向の複数の位置で方程式を立てる補正方程式作成工程と
該補正方程式作成工程で立てた方程式から、波面収差を補正するための傾き角の変化を求める傾き角算出工程と、
を有することを特徴とする光学素子の設計方法。
In a method for designing an optical element used in an image forming optical system that forms an image of a light beam deflected and scanned by a deflecting unit on a surface to be scanned,
In the optical element, the angle between the ray passing through the optical surface and the normal of the child surface changes within the sub-line cross section of the optical surface according to the position in the main scanning direction independently of the curvature of the child wire. An optical surface to
Within the sub-line cross section of the optical surface, the ratio of the incident beam deviation per unit inclination angle of the sub-line surface normal at any point on the optical axis to the irradiation position deviation in the sub-scanning direction is sensitive to the irradiation position deviation. Degree and
When the ratio of the amount of change in wavefront aberration per rate of change in which the tilt angle changes according to the position in the main scanning direction is defined as wavefront aberration sensitivity, the wavefront aberration sensitivity is set for each optical surface and in the main scanning direction. A calculation step of calculating at a plurality of positions;
An equation creating step for formulating equations at a plurality of positions in the main scanning direction so that the sum of products of the irradiation position deviation sensitivity and the inclination angle in each optical surface corrects the remaining irradiation position deviation in the sub-scanning direction;
A correction equation creating step for creating an equation at a plurality of positions in the main scanning direction so that the sum of products of wavefront aberration sensitivity and inclination angle change rate on each optical surface corrects the remaining wavefront aberration, and the correction equation creating step An inclination angle calculating step for obtaining a change in inclination angle for correcting wavefront aberration from the equation established in
A method for designing an optical element, comprising:
前記傾き角算出工程で求めた子線面法線の傾き角の変化を光学面形状に導入し、他の収差も含め前記光学素子の光学面の外形状の最適化を行う最適化工程を有することを特徴とする請求項1の光学素子の設計方法。   It has an optimization step of introducing a change in the inclination angle of the sub-plane normal obtained in the inclination angle calculation step into the optical surface shape and optimizing the outer shape of the optical surface of the optical element including other aberrations The method of designing an optical element according to claim 1. 前記算出工程で前記波面収差敏感度を算出し補正係数を求めるときの波面収差は45゜方向のアスであることを特徴とする請求項1又は2の光学素子の設計方法。   3. The method of designing an optical element according to claim 1, wherein the wavefront aberration when calculating the wavefront aberration sensitivity in the calculation step to obtain a correction coefficient is 45 ° angle. 請求項1乃至3のいずれか1項の光学素子の設計方法で設計されたことを特徴とする光学素子。   An optical element characterized by being designed by the optical element design method according to claim 1. 請求項4の光学素子を有することを特徴とする結像光学系。   An imaging optical system comprising the optical element according to claim 4.
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