JP2013054113A - 光走査装置及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏向面の面倒れが発生した場合の波動光学的なピッチムラの低減と副走査像面湾曲の低減を図り、高精細な画像形成を行うことができる光走査装置を得ること。
【解決手段】 半導体レーザーから成る光源手段と、光源手段からの光束を偏向走査する偏向手段と、光源手段からの光束を偏向手段の偏向面又はその近傍に焦線を結像する入射光学系と、偏向面で偏向された光束を被走査面に結像する複数の結像レンズを含む結像光学系とを有する光走査装置であって、結像光学系を構成する結像レンズのうち、少なくとも１つの光学面は、副走査断面内において非円弧形状であり、非円弧形状の非円弧量は主走査方向に変化しており、被走査面の光軸上と有効走査範囲の最大像高に結像する光束の副走査方向の近軸像面湾曲を各々ｄｓ（Ｙ＝０）、ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）を各々適切に設定すること。
【選択図】 図１

Description

本発明は光走査装置及びそれを用いた画像形成装置に関し、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やマルチファンクションプリンタ（多機能プリンタ）等の画像形成装置に好適なものである。

従来より、レーザービームプリンタやデジタル複写機の画像形成装置に用いられている光走査装置が種々と提案されている。これらの光走査装置では半導体レーザー等の光源手段から射出された発散光束を、コリメータレンズとシリンドリカルレンズ等からなる入射光学系により、ポリゴンミラー（光偏向器）等の偏向手段の偏向面に導光している。

このとき、光源手段から射出した発散光束をコリメータレンズ等で略平行光に変換している。そして、偏向面の面倒れ補正を行うために略平行光に変換された光束を、副走査方向のみに屈折力のあるシリンドリカルレンズで偏向面又は、その近傍に線像を形成している。そして偏向手段の偏向面で偏向された光束は、ｆθ特性のある結像光学系で集光され、偏向手段の回転動作により、被走査面としての感光体ドラム面上を光スポットで略等速走査し、感光ドラム面に画像情報を形成している。

多くの光走査装置において結像光学系は主に主走査方向に屈力を有する第１レンズ群と、主に副走査方向に屈折力を有する第２レンズ群よりなっている。そして偏向手段からの偏向された光束を被走査面にスポットを形成するとともに、副走査断面内で偏向面と被走査面とが略共役関係となるように設定されている。これによって、偏向面の倒れ（面倒れ）による副走査断面内におけるスポット光の結像位置ずれを低減している。すなわち結像光学系は面倒れ補正光学系を構成している。

従来より、このような光走査装置において、設計上の面倒れ性能の向上と副走査方向の像面湾曲（副走査像面湾曲）低減を図った光走査装置が知られている（特許文献１）。

特開２００９−１４９５３号公報

特許文献１における光走査装置は、偏向面の幾何光学的な面倒れによる結像位置ずれ（ピッチムラ）と副走査像面湾曲を同時に低減する技術を開示している。偏向面の幾何光学的な面倒れによるピッチムラの補正方法は、面倒れが発生した場合には被走査面におけるスポット強度（振幅）分布の重心位置ずれと副走査像面湾曲の双方の低減が難しくなる場合がある。このため幾何学的な方法の代わりに波動光学的な観点で設計性能を行うことが必要になってくる。

本発明は、偏向面の面倒れが発生した場合の波動光学的なピッチムラの低減と副走査像面湾曲の低減を図り、高精細な画像形成を行うことができる光走査装置及びそれを用いた画像形成装置の提供を目的とする。

本発明の光走査装置は、半導体レーザーから成る光源手段と、該光源手段からの光束を偏向走査する偏向手段と、前記光源手段からの光束を前記偏向手段の偏向面又はその近傍に焦線を結像する入射光学系と、前記偏向面で偏向された光束を被走査面に結像する複数の結像レンズを含む結像光学系とを有する光走査装置であって、
前記結像光学系を構成する結像レンズのうち、少なくとも１つの光学面は、副走査断面内において非円弧形状であり、前記非円弧形状の非円弧量は主走査方向に変化しており、前記被走査面の光軸上と有効走査範囲の最大像高に結像する光束の副走査方向の近軸像面湾曲を各々ｄｓ（Ｙ＝０）、ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）とするとき、
ｄｓ（Ｙ＝０）＜０
ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）＞０
なる条件を満足するように設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、偏向面の面倒れが発生した場合の波動光学的なピッチムラの低減と副走査像面湾曲の低減を図り、高精細な画像形成を行うことができる光走査装置が得られる。

本発明の実施例１の主走査断面図 本発明の実施例１の副走査断面図 （ａ）〜（ｅ） 本発明の実施例１の比較例のガウス像面を示す説明図 （ａ）〜（ｃ） 本発明の実施例１の光学性能を示す説明図 本発明の実施例１の波動光学的な像面を示す説明図 本発明の実施例１および実施例４の光源を示す模式図 （ａ）、（ｂ） 本発明の実施例１の副走査非円弧を表す図 本発明の実施例１の面倒れ発生時のスポット位置を示す図主走査断面図 本発明の実施例２の光源を示す模式図 実施例４の主走査断面図 実施例４の複走査像面（ガウス像面）を示す図 （ａ）、（ｂ） 実施例４の副走査非円弧を示す図 実施例４の面倒れ発生時のスポット位置を示す図 偏向反射面近傍の拡大模式図 本発明の画像形成装置の模式図 本発明のカラー画像形成装置の模式図

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。本発明の光走査装置は、半導体レーザーから成る光源手段と、光源手段からの光束を偏向走査する偏向手段と、光源手段からの光束を偏向手段の偏向面又はその近傍に焦線を結像する入射光学系とを有する。更に偏向面で偏向された光束を被走査面に結像する複数の結像レンズを含む結像光学系とを有する。

本発明の光走査装置では、結像光学系を構成する結像レンズの少なくとも一面の副走査方向の形状を４次以上の非球面とし、その非球面量を主走査方向に変化させている。これにより副走査方向の像面湾曲を低減している。また、副走査方向の近軸量で計算される副走査方向の近軸像面湾曲を後述する条件式（１）、（２）の如く最適な値にしている。これにより、波動光学的ピッチムラの低減を図っている。

［実施例１］
図１は本発明の光走査装置の実施例１の主走査方向の要部断面図（主走査断面図）である。図２は図１の発明の実施例１の一部分の副走査方向の要部断面図（副走査断面図）である。

尚、以下の説明において、主走査方向とは回転多面鏡（偏向手段）の回転軸及び結像光学系の光軸に垂直な方向（回転多面鏡で光束が反射偏向（偏向走査）される方向）である。副走査方向とは回転多面鏡の回転軸と平行な方向である。また主走査断面とは主走査方向と結像光学系の光軸を含む平面である。また副走査断面とは、結像光学系の光軸を含み主走査断面と垂直な断面である。

図中、１は光源手段であり、複数の発光点（発光部）を有する半導体レーザー（マルチビーム光源）より成っている。半導体レーザー１は複数の発光点のうち、少なくとも１つの発光点は、後述するコリメーターレンズ（第１の光学手段）３の光軸からの距離が他の１つの発光点の光軸からの距離と異なっている。

本実施例では図６に示すように発光点が一次元状に配列し、８個の発光点から成る半導体レーザーで構成されている。本実施例では、８ビームレーザーを使用することにより画像形成の高速化及び高精細化を達成している。

２は第１の絞りであり、副走査方向の通過光束の光束幅を制限して光源手段１からの光束のビーム形状を整形している。これは、第一の絞り２をコリメータレンズの近傍に配置し、副走査方向の射出瞳位置を結像レンズ６ｂの近傍に配置する。そして８つの発光点から放射される８ビームの主光線が結像光学系のパワーが最も強い結像レンズ６ｂの光学面近傍で副走査方向の同一位置を通過するようにしている。

３は第１の光学手段の一部を構成するモールディングプロセスで作製されたガラス製の集光レンズ（以下、「コリメータレンズ」と称す。）である。コリメータレンズ３は偏向手段１０側の面が回転対称な非円弧（非球面）になっており、後述する発光点間のスポット径差を低減するとともに、光源手段１から出射された発散光束を平行光束又は略平行光束に変換している。

４は第１の光学手段の一部を構成するレンズ系（以下、「シリンドリカルレンズ」と称す。）であり、副走査断面内（副走査方向）にのみパワーを有している。シリンドリカルレンズ４はコリメータレンズ３を通過した光束を副走査断面内で後述する偏向手段１０の偏向面（反射面）１０ａに線像として結像させている。５は第２の絞りであり、シリンドリカルレンズ４からの主走査方向の通過光束の光束幅を制限してビーム形状を整形している。

本実施例における第２の絞り５はコリメータレンズ３の偏向手段１０側に配置されている。尚、コリメータレンズ３とシリンドリカルレンズ４を１つの光学素子より構成しても良い。

本実施例において第１の絞り２、コリメータレンズ３、シリンドリカルレンズ４、そして第２の絞り５等の各要素は入射光学系ＬＡの一要素を構成している。

コリメータレンズ３は後述するように、レンズ光軸から周辺部に向かい凸（正）のパワー（屈折力）が弱くなる形状の非球面を有している。これによって複数の発光点からの光束の被走査面７または偏向面１０ａでの集光位置（ピント位置）が略同一となるようにして被走査面７での複数光束のスポット径を略同一にしている。また、偏向手段１０の近傍に配置されている第２の絞り５は、主走査方向の光束幅を制限するとともに、偏向面１０ａ上での各発光点からの光束の主光線を近接させて、マルチビーム方式を採用したときに発生する縦線ゆらぎを低減している。

１０は偏向手段としての光偏向器であり、５面構成のポリゴンミラー（回転多面鏡）より成っており、モーター等の駆動手段（不図示）により図中矢印Ａ方向に一定速度で回転している。

６は集光機能とｆθ特性とを有する結像光学系（ｆθレンズ系）であり、第１、第２の結像レンズ（ｆθレンズ）６ａ，６ｂより成り、共に主走査面内で非球面形状のアナモフィックレンズより形成されている。結像光学系６は偏向手段１０によって反射偏向された画像情報に基づく光束を被走査面としての感光ドラム面７上に結像させている。更に副走査断面内において偏向手段１０の偏向面１０ａと感光ドラム面７との間を共役関係にすることにより、偏向面１０ａの面倒れ補正を行っている。

本実施例の結像レンズ６ｂの出射面は副走査断面内において非円弧形状であり、その非円弧量を結像レンズ６ｂの長手方向（主走査方向、Ｙ方向）に変化させている。これにより、副走査方向の波面収差量を変化させ、副走査方向の波動光学的な像面湾曲を低減させている。又、結像光学系６の副走査方向の近軸像面湾曲を適切に発生させることにより、面倒れが発生した場合の被走査面７における副走査方向のスポット強度の重心変化を低減させ、ピッチムラを低減している。７は被走査面としての感光ドラム面である。

本実施例の光走査装置において画像情報に応じて光源手段１から光変調され出射した複数（本実施例では８本）の光束は第１の絞り２により副走査方向の光束幅が制限される。そしてコリメータレンズ３により平行光束に変換され、シリンドリカルレンズ４に入射する。シリンドリカルレンズ４に入射した光束のうち主走査断面内においてはそのままの状態で出射して第２の絞り５により主走査方向の光束幅が制限される。また副走査断面内においては収束して第２の絞り５を通過し（主走査方向の光束幅が制限される）偏向手段１０の偏向面１０ａ又はその近傍に線像（主走査方向に長手の線像）として結像する。

そして偏向手段１０の偏向面１０ａで反射偏向された複数の光束は各々主に主走査方向に凸（正）のパワーを有する結像レンズ６ａに入射する。図２に示す複数の折り返しミラー（平面ミラー）８ａ、８ｂで反射され主に副走査方向に凸（正）のパワーを有する結像レンズ６ｂに入射する。結像レンズ６ｂを通過した光束は折り返しミラー８ｃで反射し感光ドラム面７上にスポット状に結像する。

偏向手段１０を矢印Ａ方向に回転させることによって感光ドラム面７上を矢印Ｂ方向（主走査方向）に等速度で光走査している。これにより記録媒体である感光ドラム面７上に複数の走査線を同時に形成し、画像記録を行っている。

本実施例では図２に示すように３つの平面ミラー８ａ、８ｂ、８ｃを用いることにより結像光学系６の光路をコンパクトに折りたたんで、画像形成装置の幅（図２における横方向）を小型にしている。

本実施例の光源手段（半導体レーザ）１の発光点は、図６に示すように主走査方向（Ｙ方向）から角度αが９．２度傾いた状態で８ビームが一次元に配列されており、各々の発光点のピッチは５０μｍである。さらに各々の発光点は独立変調可能に構成されており、不図示のレーザードライバーにより発光強度やタイミングが制御される。またレーザー光源の組み立て時の取り付け誤差により発生するビーム間隔誤差を調整するために、入射光学系ＬＡに光軸と平行な軸を中心に回転可能に保持されている。

尚、図６において発光点１ａは（入射光学系ＬＡの光軸）軸上もしくはその近傍の発光点、発光点１ｂは主走査方向の最軸外の発光点である。

本実施例において、結像光学系６を構成する結像レンズのうち、少なくとも１つの光学面は、副走査断面内において非円弧形状である。そして非円弧形状の非円弧量は主走査方向に変化している。被走査面７の光軸上と有効走査範囲の最大像高に結像する光束の副走査方向の近軸像面湾曲を各々ｄｓ（Ｙ＝０）、ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）とする。

このとき、
ｄｓ（Ｙ＝０）＜０
ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）＞０
なる条件を満足するように設定されている。

本実施例において、結像光学系６の数値例は表１のように構成されている。本実施例において、結像レンズ６ａの形状は、それぞれ結像レンズと光軸との交点を原点とする。そして図１に示すように光軸に対して走査開始側７ｓと走査終了側７ｅで、光軸をＸ軸、主走査面内において光軸と直交する方向をＹ軸、副走査面内で光軸と直交する方向をＺ軸とし、以下の関数で表せる。

但し、Ｒはレンズ面の曲率半径、Ｋ、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８、Ｂ１０は非球面係数である。本実施例では主走査方向（Ｙ方向）の形状を光軸（Ｘ軸）に対し、対称に構成している。つまり走査開始側と走査終了側の非球面係数を一致させている。また結像レンズ６ａは、入射面、射出面ともに副走査断面形状が円弧形状である。結像レンズ６ｂは、出射面の副走査方向の断面形状がＺの４次項を有する非円弧形状であり、その非円弧量が長手方向（Ｙ方向）に変化している。

さらに、結像レンズ６ｂの副走査方向の形状は、光軸に対して走査開始側７ｓと走査終了側７ｅで入射面の副走査断面（光軸を含み主走査面と直交する面）内の曲率１／ｒと、４次の非球面係数をＹの関数とし、レンズの有効部内において連続的に変化させている。結像レンズ６ｂの副走査方向の形状は光軸に対して走査開始側と走査終了側で前述した座標系を用いると、以下の連続関数で表せる。
ｒ１、ｒ２、ｒ３面の副走査方向関数

（ｒ’は副走査方向曲率半径、Ｄｊは曲率変化係数、Ｍｉは子線非球面係数）
Ｙのプラス側とマイナス側で係数が異なる場合は、サフィックスｓは走査開始側、ｅは走査終了側を表している。また、副走査方向の曲率半径とは主走査方向の形状（母線）に直交する断面内における曲率半径である。

本発明における、設計上のピッチムラの低減手法を図３の比較例を用いて説明する。偏向手段１０であるポリゴンミラーは、ポリゴン面の加工誤差や組み立て誤差によって反射面の副走査方向の角度が所望の値（設計値）からずれる、所謂面倒れと呼ばれる誤差を有している。

図３（ａ）に示すように、一般的な光走査装置は、副走査方向の結像位置（近軸像面＝ガウス像面）が被走査面とほぼ一致するように設計されている。つまり、結像光学系の副走査方向の結像関係は、偏向面近傍に線上に結像している焦線と、被走査面が共役になるような構成になっている。

従来のこの構成では、面倒れが生じると走査に伴う偏向面の光軸方向の変位であるサグ（出入り）により、被走査面上の副走査方向の光線到達位置がずれてしまい、所謂、面倒れによるピッチムラが発生する（図３（ｂ））。しかし、本発明では、結像レンズ６ｂの副走査方向の曲率半径を最適に設定し、副走査近軸像面が湾曲するように構成（図３（ｃ））することにより面倒れが発生しても、副走査方向のスポット重心位置がずれないようにしている（図（３ｄ））。

本発明では偏向面１０ａが副走査方向に３分傾いた場合の被走査面上の副走査方向の光束のスポットの強度重心位置の変化が±２μｍ以下となるようにしている。また、副走査方向の像面湾曲は、従来例と同様の手法で低減させている。つまり、副走査方向に４次の非球面を導入し、副走査方向の波面収差を低減することにより、近軸像面は湾曲させたまま、波動光学的な像面位置を被走査面と一致させる構成にしている（図３（ｅ））。ここで、近軸像面とは、結像レンズの光軸近傍の形状から幾何光学的に決まる像面位置を示し、波動光学的な像面位置とは、波面収差が最小になる像面位置を示す。

図４、図５に本発明の光学性能を示す。図４（ａ）は、副走査方向の近軸像面（ガウス像面）を示している。図４（ｂ）は主走査方向の近軸像面を示している。前述したように、以下の条件式、
ｄｓ（Ｙ＝０）＜０ ・・・（１）
ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）＞０ ・・・（２）
を満足するように副走査方向の曲率半径を設定している。そして副走査方向に共役関係を全像高で偏向面と共役するのではなく、少なくとも軸上と軸外の共役関係を偏向面と焦線結像位置の間に設定している。

これにより図４（ｃ）に示すように面倒れが発生しても被走査面７上の副走査スポット重心位置（図中実践）の変化を低減させ、ピッチむらが低減できる構成にしている。また、被走査面７上の副走査方向スポット径ばらつきを低減させるために、前述したように結像レンズ６ｂの出射面を副走査非円弧面で構成している。そしてその非円弧量を主走査方向に変化させることにより、副走査方向の波面収差を低減させ波動光学的な像面湾曲を低減させている。

また、図４（ｃ）に示す破線の走査線湾曲は、結像光学系６の主光線の到達位置を示している。従来は、被走査面に到達する主光線湾曲量を低減させるように設計していた。しかし、従来の設計手法では、主光線の到達位置を低減できるが、副走査方向のスポット重心位置が変化してしまい、面倒れが生じた場合に被走査面におけるピッチムラは低減できないことを本発明者は見出した。

次に前述した条件式（１）、（２）の導出を図１４を用いて説明する。結像光学系６の光軸Ｏａに対して光源手段１と反対側の被走査面７の一端７ｓへ向かうときの偏向面１０ａの状態を第１の状態（もしくは第２の状態）、光源手段側の被走査面の一端へ向かうときの偏向面の状態を第２の状態（もしくは第１の状態）とする。該第１の状態Ａ１と該第２の状態Ａ２との偏向面１０ａの交点をクロスポイント（１０割クロスポイント）Ｇとする。

該クロスポイントＧからコリメータレンズを通過した光束の主光線２０１に垂直に下した距離をΔ（ｍｍ）とする。偏向手段１０に入射する光束の入射角をα（度）とする。偏向手段１０の面倒れ角をφ（度）とする。結像光学系６の副走査方向の横倍率をβｓとする。偏向手段１０の外接円半径をｒ（ｍｍ）とする。偏向手段１０の偏向面１０ａの面数をＭ、偏向手段１０で反射偏向された光束が被走査面７上の両端へ向かうときの偏向手段１０の偏向面１０ａの回転角θｆ（度）とする。

偏向手段１０の回転角をθｐ （−θｆ≦Θｐ≦θｆ）（度）とする。ｘ−ｙ面（主走査断面）内でコリメータレンズを通過した光束の主光線方向の偏向手段１０の回転に伴う偏向面１０ａの移動量ＩＨ（ｌ）（ｍｍ）は、次のようになる。

式Ｃにおいて、−θ_ｆ≦θ_ｐ≦θ_ｆにおけるＩＨの最大値と最小値の差を偏向反射面のサグ量と定義し、δ＝ｍａｘ（ＩＨ）−ｍｉｎ（ＩＨ）を得た。
条件式は、副走査方向のガウス像面位置を規定するための条件式である。
本実施例では、表１に示すように
ｒ＝１７
Ｍ＝５
θ_ｆ＝１７．１６
α＝７０
又、
Δ＝０．８１
β＝−１．２０４
δ＝１．１１
より、
０．２δβ^２＝０．３２
０．８δβ^２＝１．２９
であり、図４（ａ）より軸上及び軸外の副走査方向のガウス像面
ｄｓ（Ｙ＝０）＝−０．３９２
ｄｓ（Ｙｍａｘ＝１６３）＝０．３８
は条件式ｄｓ（Ｙ＝０）＜０、ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）＞０
を満足するとともに
０．２δβ^２＜｜ｄｓ（Ｙ＝０）｜＜０．８δβ^２
０．２δβ^２＜｜ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）｜＜０．８δβ^２
も満足している。

尚、本実施例では、偏向手段１０の反射面１０ａを有効利用するために、Δ＝０．８１としている。本実施例の副走査方向における波動光学的像面の位置（副走査ピント）を図５に示す。図５は、副走査方向の波面収差量が最小になる位置を示している。一般的に球面収差等の影響で、図４（ａ）に示す副走査ガウス像面の位置とは一致しない。

本実施例では、副走査ガウス像面を条件式を満足するように１ｍｍ湾曲させているが、波動光学的像面は０．５ｍｍの像面湾曲に抑えられている。被走査面は、図５に示す波面収差が最小の位置に配置されるので、本実施例の被走査面における副走査方向のピントずれ量は±０．２５ｍｍにおさえられている。本実施例ではガウス像面の湾曲量より波動光学的像面の湾曲量を小さくするために、結像レンズ６ｂの副走査方向の非球面量を長手方向に連続的に変化（単調変化）させることにより達成している。

次に光源手段１から放射される光束の波長ばらつきによるピッチムラ劣化の低減手法について説明する。面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を光源手段として用いる光走査装置においては、レーザー製造工程において、材料であるウエハーの膜厚がばらつく。

そうすると、レーザから放射される光束の波長がばらつく。このときの発振波長のばらつきを考慮して、結像光学系の設計を行う必要がある。素子作製時には同一ウエハー内の膜厚ばらつきは小さく抑えることができるため、同一レーザー素子の複数ビーム間の発振波長ばらつきは例えば１．５ｎｍ程度と小さい。しかし、異なるウエハーから作製されたレーザー素子間の発振波長ばらつきは例えば５〜１０ｎｍ程度発生することが知られている。

一般的に、波長が変化した場合に発生するピッチムラを低減させるためには、結像光学系の副走査方向の軸上色収差を低減させればよい。しかし、結像光学系の副走査方向の軸上色収差を低減させるためには、ガラスレンズを複数枚用いたり、回折光学素子を使用したりする必要があり、製造が困難になる。

従って、本実施形態では、光走査装置の組み立て時に波長ばらつきによる共役点位置ずれを測定し、偏向面と被走査面の光路長を変化させる手段を用いている。表１に本実施例の結像光学系の非球面係数を示す。

ここで「Ｅ−ｘ」は「１０−ｘ」を示している。Ｒ１面は結像レンズ６ａの光偏向器１０側の面、Ｒ２面は結像レンズ６ａの被走査面７側の面、Ｒ３面は結像レンズ６ｂの光偏向器１０側の面、Ｒ４面は結像レンズ６ｂの被走査面７側の面である。

上記のように、結像レンズ６ｂの入射面は、母線方向（主走査方向）、子線方向（副走査方向）ともに円弧で、子線の曲率が主走査方向に連続的に変化する屈折面で構成されている。

又、結像レンズ６ｂの出射面は、母線方向、子線方向ともに非円弧で、かつ子線の曲率の非円弧量（非球面量）が主走査方向に連続的に変化する屈折面を有している。子線方向の非球面量を母線方向に変化させることにより、前述したように副走査方向の波動光学的な像面湾曲を補正している。また、子線方向の非円弧面を結像光学系６の中で副走査方向で光束の光束幅が最も広い状態で入射する結像レンズ（６ｂの光学面）に形成することにより、非球面効果を高めて波面収差を補正しやすい構成としている。

更に、主走査方向で光束の光束幅が最も狭い状態で入射する結像レンズ６ｂに副走査方向で非円弧面の光学面を用いることにより、被走査面のスポット形状の劣化を低減させている。

図７に本実施例に係る非円弧面の非円弧量を示す。図７（ａ）は図１におけるレンズ６ｂの出射面の副走査方向の非円弧量を示す。本実施例の副走査方向の光束幅は４ｍｍなのでＺ＝±２ｍｍの位置が副走査方向のマージナル光線が通過する位置（副走査光束端）となる。

同図において、横軸はレンズ面の副走査方向Ｚを示しＺ＝０の副走査方向の光軸近傍からＺ＝２の副走査光束端に向かって子線非円弧量が連続的に変化させている。また、書き出し側（Ｙ座標＋側有効端部）の非円弧量より、光軸近傍および書き終わり側端部の非円量が大きくなるように構成し、ピッチムラ低減と波動光学的の像面位置補正を両立させている。

図７（ｂ）に副走査方向の光束端の非円弧量の主走査方向変化を示す。レンズ６ｂの出射面の被円弧量はレンズの光軸近傍（レンズ座標Ｙ＝−２０ｍｍ）で最大で５０ｎｍの被円弧量になるように構成され、レンズ長手（Ｙ）方向の端部にむかって単調に減少している。書き出し側の像高（Ｙプラス）の被円弧量は、画像中心近傍および聴き終わり側（Ｙマイナス）より小さくなるように構成されている。

書き出し側と書き終わり側が光軸に対して非対称に構成されているのは、偏向面のサグの影響を補正するためである。また非円弧量がほぼ全域でプラスの値を有するのは、副走査方向におお球面収差を補正するためである。

図８に本実施例の発光点１ａ、１ｂ、１ｃから放射される光束に対する面倒れ性能を示す。同図において、横軸は、像高を示し、縦軸は偏向面が３分倒れた時の被走査面における副走査方向のスポット重心位置ずれを示している。本実施例では、偏向面が３分たおれても被走査面全域で発光点１ａ〜１ｃを含むすべてのビームで重心変化０．７μｍ以下を達成し、±２μｍ以下を達成している。

本実施例では、非円弧面をレンズ６ｂの出射面に構成したが、入射面に構成する場合は、非円弧量の符号が反転すれば本実施例と同等の性能を確保することができる。

以上のように、本実施例ではレンズ作製上有利なように副走査光束端部における非円弧量を５００ｎｍ以下にし、副走査方向の光束端部の非円弧量をδＰ０と主走査方向の有効端部における副走査方向の光束端部の非円弧量をδＰ１とする。このとき、｜δＰ０｜＞｜δＰ１｜を満たすように構成し、ピッチムラの低減と波動光学的な像面位置補正を行っている。

本実施例の副走査方向の非円弧形状は、後述する非球面形状の数式においてＺの４次のみで構成したが、６次以上の非円弧を用いてもよい。また、本実施例の結像光学系６は、結像レンズ６ａ、６ｂを光透過性のパワーを有するプラスティックレンズで構成している。これにより、結像レンズの製造を容易にするとともに、非球面を用いることにより設計上の自由度を向上させている。

又、主に主走査方向のパワーを有する結像レンズ６ａは、ガラス材料であってもよく、ガラス材料で構成した場合は、主走査方向の光学性能も環境特性に優れた光走査装置を得ることが容易になる。また本実施例では結像光学系６を２枚の結像レンズで構成しているが、これに限らず、１枚もしくは３枚以上で構成しても上記の実施例と同様の効果を得ることができる。また表１に本発明の実施例１における光走査装置を構成する各部材の各数値を示す。

以上のように、結像レンズの副走査方向の曲率半径と副走査方向の非円弧量を適切に設定することにより、面倒れによる副走査スポット重心位置ずれが低減することができる。これにより高精細な画像形成を行うことができる光走査装置及びそれを用いた画像形成装置が得られる。

［実施例２］
図９は本発明の実施例２の光走査装置に用いる光源手段の各発光部の配置位置を示した要部断面図である。同図において図１に示した要素と同一要素には同符番を付している。本実施例において前述の実施例１と異なる点は、光源手段１の構成である。その他の構成、及び光学的作用は実施例１と同様であり、これにより同様な効果を得ている。

本実施例の光源手段１は、２次元配列の面発光レーザーで構成されており、実施例１より画像形成装置の高速化、高精細化を容易にしている。

以上のように、２次元配列の多ビームの光源手段を用いた場合でも面倒れによるピッチムラを低減することができ、高精細かつ高速な画像形成を行うことができる光走査装置及びそれを用いた画像形成装置が得られる。

［実施例３］
本発明の光走査装置の実施例３を説明する。本実施例と実施例２と異なる点は、被走査面における光束のスポット径である。その他の構成、作用は、実施例２と同様である。本実施例では、主走査方向と、副走査方向ともに被走査面における光束の最小スポット径が４０μｍになるように入射光学系ＬＡを構成する第１の絞り２と第２の絞り５の絞り径をそれぞれ７．０ｍｍ、１．１４ｍｍに設定している。これにより、実施例２よりさらに高精細な画像形成装置を容易にしている。

［実施例４］
図１０に本発明の実施例４の主走査断面図を示す。図中、１は光源手段であり、複数の発光点（発光部）を有する面発光レーザー（マルチビーム光源）より成っている。面発光レーザー１は複数の発光点のうち、少なくとも１つの発光点は、後述する第１の光学手段３の光軸からの距離が他の１つの発光点光軸からの距離と異なっている。本実施例では図６に示すように発光点が一次元状に配列し、８個の発光点から成る半導体レーザーで構成されている。これは、８ビームレーザーを使用することにより高速化、高精細化を達成するためである。

２は第１の絞りであり、副走査方向の通過光束の光束幅を制限してビーム形状を整形している。これは、第１の絞り２をコリメータレンズ３の近傍に配置し、副走査方向の射出瞳位置をｆθレンズ２０ｂ近傍に配置し、８ビームの主光線がｆθレンズ２０ｂ近傍で副走査方向に交差させるためである。

３は第１の光学手段としてのモールディングプロセスで作製されたガラス製の集光レンズ（以下、「コリメータレンズ」と称す。）である。コリメータレンズ３は偏向手段１０側の面が回転対称な非円弧（非球面）になっており、後述する発光点間のスポット径差を低減するとともに、光源手段１から出射された発散光束を平行光束に変換している。４は、ガラス製の正の屈折力の凸球面レンズ（球面レンズ）であり、非走査面でのスポット径を調整ための球面レンズである。

５は、第１の光学手段としてのレンズ系（以下、「シリンドリカルレンズ」と称す。）であり、副走査断面内（副走査方向）にのみパワーを有している。シリンドリカルレンズ５はコリメータレンズ３、球面レンズ４を通過した光束を副走査断面内で後述する光偏向器１０の偏向面（反射面）１０ａに線像として結像させている。６は第２の絞りであり、主走査方向の通過光束の光束幅を制限してビーム形状を整形している。

本実施例における第２の絞り５はコリメータレンズ３の光偏向器１０側に配置されている。７は、主走査方向にくさび形状を有するプリズムであり、第２の絞り６とプリズム７の入射面が一致するように配置されている。プリズム７の入射面と出射面は主走査方向に５°の角度を有している。これは、出射面からの反射光が後述に光量検知センサー９が入射しないようにするためである。

８は結像レンズであり、プリズム７の入射面で反射した光束を光量検知センサー９に集光するためのレンズである。９は光量検知センサーであり、面発光レーザー１の各ビームが所望の光量で発光させるためのものである。面発光レーザー１は端面発光型のレーザーと異なり、ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）センサーを素子内に配置できないので、レーザーの外部にＡＰＣ用センサー９を有している。

尚、コリメータレンズ３とシリンドリカルレンズ５を１つの光学素子より構成しても良い。また第１の絞り２、コリメータレンズ３、球面レンズ４、シリンドリカルレンズ５、そして第２の絞り６の各要素は入射光学系ＬＡの一要素を構成している。またプリズム７、結像レンズ８、光量検知センサー９は、ＡＰＣ光学系の一要素を構成している。

コリメータレンズ３は後述するように、レンズ光軸から周辺部に向かい正のパワーが弱くなる非球面が付加された非球面形状を有している。これによって複数の発光点からの光束の被走査面または偏向面での集光位置（ピント位置）を略同一にして被走査面での複数光束のスポット径を略同一にすることができる。また、偏向器１０近傍に配置されている第２の絞り６は、主走査方向の光束幅を制限するとともに、偏向面上での各発光点からの光束の主光線を近接させることができるので、マルチビーム時に発生する縦線ゆらぎを低減できる。

１０は偏向手段としての光偏向器であり、５面構成のポリゴンミラー（回転多面鏡）より成っており、モーターの駆動手段（不図示）により図中矢印Ａ方向に一定速度で回転している。

２０は集光機能とｆθ特性とを有する結像光学系（ｆθレンズ系）であり、第１、第２の結像レンズ（ｆθレンズ）２０ａ，２０ｂより成っている。結像レンズ２０ａはガラス製の平凸球面レンズ、結像レンズ２０ｂは主走査面内で非球面形状のアナモフィックレンズより形成されている。結像光学系２０は光偏向器１０によって反射偏向された画像情報に基づく光束を被走査面としての感光ドラム面３０上に結像させ、かつ副走査断面内において光偏向器１０の反射面１０ａと感光ドラム面７との間を共役関係にすることにより、面倒れ補正を行っている。

本実施例の結像レンズ２０ｂの出射面は副走査断面の形状が非円弧であり、その非円弧量を結像レンズ２０ｂの長手方向（主走査方向）に変化させることにより、副走査方向の波面収差量を変化させ、副走査方向の波動光学的な像面湾曲を低減させている。又、結像光学系２０の副走査方向の近軸像面湾曲を適切に発生させることにより、面倒れが発生した場合の被走査面における副走査スポット位置ずれを低減させ、ピッチムラを低減している。３０は被走査面としての感光ドラム面である。

本実施例において画像情報に応じて光源手段１から光変調され出射した複数（本実施例では８本）の光束は第１の絞り２により副走査方向の光束幅が制限され、コリメータレンズ３と球面レンズ４により平行光束に変換され、シリンドリカルレンズ５に入射する。シリンドリカルレンズ５に入射した光束のうち主走査断面内においてはそのままの状態で出射して第２の絞り６により主走査方向の光束幅が制限される。また副走査断面内においては収束して第２の絞り６を通過し（主走査方向の光束幅が制限される）光偏向器１０の偏向面１０ａ近傍に線像（主走査方向に長手の線像）として結像する。

そして光偏向器１０の偏向面１０ａで反射偏向された複数の光束は各々主に主走査方向に正のパワーを有する結像光学系２０に入射し、感光ドラム面３０上にスポット状に結像する。光偏向器１０を矢印Ａ方向に回転させることによって感光ドラム面３０上を矢印Ｂ方向（主走査方向）に等速度で光走査している。これにより記録媒体である感光ドラム面上に複数の走査線を同時に形成し、画像記録を行っている。本実施例の設計パラメータを表２に示す。

本実施例において、走査光学系は表２のように構成されている。本実施例において、結像レンズ２０ｂの形状は、それぞれ結像レンズと光軸との交点を原点とする。図１４に示すように光軸に対して走査開始側と走査終了側で、光軸をＸ軸、主走査面内において光軸と直交する方向をＹ軸、副走査面内で光軸と直交する方向をＺ軸とし、前述した（ａ）、（ｂ）の関数で表せる。

また結像レンズ２０ｂは、入射面が副走査方向の断面形状が円弧形状であり、出射面は副走査方向の断面形状がＺの４次項を有する非円弧形状である。出射面は、非円弧量が長手方向に変化している。さらに、結像レンズ２０ｂの副走査方向の形状は、光軸に対して走査開始側と走査終了側で入射面の副走査断面（光軸を含み主走査面と直交する面）内の曲率１／ｒと、４次の非球面係数をＹの関数とし、レンズの有効部内において連続的に変化させている。

副走査方向の形状は光軸に対して走査開始側と走査終了側で光軸をＸ軸、主走査面内において光軸と直交する方向をＹ軸、副走査面内で光軸と直交する方向をＺ軸とし、以下の連続関数で表せる。
ｒ３、ｒ４面の副走査方向関数

（ｒ’は副走査方向曲率半径、Ｄｊは曲率変化係数、Ｍｉは子線非球面係数）
Ｙのプラス側とマイナス側で係数が異なる場合は、サフィックスｓは走査開始側、ｅは走査終了側を表している。また、副走査方向の曲率半径とは主走査方向の形状（母線）に直交する断面内における曲率半径である。

本実施例において、図１１に示すように副走査方向のガウス像面は、
ｄｓ（Ｙ＝０）＝−０．１１
ｄｓ（Ｙｍａｘ＝１７０）＝０．８１
であり、条件式
ｄｓ（Ｙ＝０）＜０
ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）＞０
を満足している。
また、
ｒ＝１７
Ｍ＝５
θ_ｆ＝１９．５６
α＝７０
又、
Δ＝０．５０
β＝−１．６８
より、
０．２δβ^２＝０．７０
０．８δβ^２＝２．８１
であり、図１２より軸上及び軸外の副走査方向のガウス像面は条件式を満足するように構成されていることがわかる。

０．２δβ^２＜｜ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）｜＜０．８δβ^２
図１２に本実施例の非円弧量を示す。図１２（ａ）は図９におけるレンズ２０ｂの出射面の副走査方向の非円弧量を示す。本実施例の副走査方向の光束幅は６ｍｍなのでＺ＝±３ｍｍの位置が副走査のマージナル光線が通過する位置（副走査光束端）となる。同図において、横軸はレンズ面の副走査方向Ｚを示しＺ＝０の副走査光軸近傍からＺ＝３の副走査光束端に向かって子線非円弧量が連続的に変化させている。

また、書き出し側（Ｙ座標＋側有効端部）および書き終わり側（Ｙ座標−側有効端部）の非円弧量より、光軸近傍および書き終わり側端部の非円量が大きくなるように構成し、ピッチムラ低減と波動光学的像面位置補正を両立させている。

図１２（ｂ）に副走査光束端の非円弧量の主走査方向変化を示す。レンズ２０ｂの出射面の被円弧量はレンズの光軸近傍（レンズ座標Ｙ＝−７ｍｍ）で最大で２６８ｎｍの被円弧量になるように構成され、レンズ長手（Ｙ）方向端部にむかって単調に減少している。書き出し側の像高（Ｙプラス）および書き終わり側（Ｙマイナス）の被円弧量は、画像中心近傍より小さくなるように構成されている。また非円弧量がほぼ全域でプラスの値を有するのは、副走査方向の球面収差を補正するためである。

図１３に本実施例の発光点１ａ、１ｂ、１ｃから放射される光束に対する面倒れ性能を示す。同図において、横軸は、像高を示し、縦軸は偏向面が３分倒れた時の被走査面における副走査方向のスポット重心位置ずれを示している。本実施例では、偏向面が３分たおれても被走査面全域で発光点１ａ〜１ｃを含むすべてのビームで重心変化０．７μｍ以下を達成し、±２μｍ以下を達成している。

[画像形成装置]
図１５は、本発明の画像形成装置の実施例を示す副走査方向の要部断面図である。図において、符号１０４は画像形成装置を示す。この画像形成装置１０４には、パーソナルコンピュータ等の外部機器１１７からコードデータＤｃが入力する。このコードデータＤｃは、装置内のプリンタコントローラ１１１によって、画像データ（ドットデータ）Ｄｉに変換される。この画像データＤｉは、実施例１から３のいずれかに示した構成を有する光走査ユニット（マルチビーム光走査装置）１００に入力される。

そして、この光走査ユニット１００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１０３によって感光ドラム１０１の感光面が主走査方向に走査される。静電潜像担持体（感光体）たる感光ドラム１０１は、モータ１１５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１０１の感光面が光ビーム１０３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１０１の上方には、感光ドラム１０１の表面を一様に帯電せしめる帯電ローラ１０２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１０２によって帯電された感光ドラム１０１の表面に、前記光走査ユニット１００によって走査される光ビーム１０３が照射されるようになっている。

先に説明したように、光ビーム１０３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１０３を照射することによって感光ドラム１０１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１０３の照射位置よりもさらに感光ドラム１０１の回転方向の下流側で感光ドラム１０１に当接するように配設された現像器１０７によってトナー像として現像される。

現像器１０７によって現像されたトナー像は、感光ドラム１０１の下方で、感光ドラム１０１に対向するように配設された転写器の一要素を構成する転写ローラ１０８によって被転写材たる用紙１１２上に転写される。用紙１１２は感光ドラム１０１の前方（図１５において右側）の用紙カセット１０９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１０９端部には、給紙ローラ１１０が配設されており、用紙カセット１０９内の用紙１１２を搬送路へ送り込む。

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１０１後方（図１５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１１３とこの定着ローラ１１３に圧接するように配設された加圧ローラ１１４とで構成されている。そして転写部から搬送されてきた用紙１１２を定着ローラ１１３と加圧ローラ１１４の圧接部にて加圧しながら加熱することにより用紙１１２上の未定着トナー像を定着せしめる。更に定着ローラ１１３の後方には排紙ローラ１１６が配設されており、定着された用紙１１２を画像形成装置の外に排出せしめる。

図１５においては図示していないが、プリントコントローラ１１１は、先に説明したデータの変換だけでなく、モータ１１５を始め画像形成装置内の各部や、後述する光走査ユニット内のポリゴンモータなどの制御を行う。

［カラー画像形成装置］
図１６は本発明の実施例のカラー画像形成装置の要部概略図である。本実施例は、光走査装置（マルチビーム光走査装置）を４個並べ各々並行して像担持体である感光ドラム面上に画像情報を記録するタンデムタイプのカラー画像形成装置である。図１６において、６０はカラー画像形成装置、１１，１２、１３，１４は各々実施例に示したいずれかの構成を有する光走査装置である。２１，２２，２３，２４は各々像担持体としての感光ドラム、３１，３２，３３，３４は各々現像器、５１は搬送ベルトである。

図１６において、カラー画像形成装置６０には、パーソナルコンピュータ等の外部機器５２からＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各色信号が入力する。これらの色信号は、装置内のプリンタコントローラ５３によって、Ｃ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各画像データ（ドットデータ）に変換される。これらの画像データは、それぞれ光走査装置１１，１２，１３，１４に入力される。

そして、これらの光走査装置からは、各画像データに応じて変調された光ビーム４１，４２，４３，４４が出射され、これらの光ビームによって感光ドラム２１，２２，２３，２４の感光面が主走査方向に走査される。

本実施例におけるカラー画像形成装置は光走査装置を４個並べ、各々がＣ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各色に対応している。そして各々平行して感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に画像信号（画像情報）を記録し、カラー画像を高速に印字するものである。

本実施例におけるカラー画像形成装置は上述の如く４つの光走査装置１１，１２，１３，１４により各々の画像データに基づいた光ビームを用いて各色の潜像を各々対応する感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に形成している。その後、記録材に多重転写して１枚のフルカラー画像を形成している。

前記外部機器３５２としては、例えばＣＣＤセンサを備えたカラー画像読取装置が用いられても良い。この場合には、このカラー画像読取装置と、カラー画像形成装置３６０とで、カラーデジタル複写機が構成される。

１ 光源手段（レーザー） ２ 第１の絞り ３ コリメータレンズ
４ シリンドリカルレンズ ５ 第２の絞り １０ 偏向手段（ポリゴンミラー）
１０ａ 偏向面 ６ 結像光学系 ６ａ 第１の結像レンズ
６ｂ 第２の結像レンズ ７ 被走査面（感光体ドラム）
１１、１２、１３、１４ 光走査装置
２１、２２、２３、２４ 像担持体（感光ドラム）
３１、３２、３３、３４ 現像器
４１、４２、４３、４４ 光ビーム
５１ 搬送ベルト ５２ 外部機器 ５３ プリンタコントローラ
６０ カラー画像形成装置 １００ 光走査装置 １０１ 感光ドラム
１０２ 帯電ローラ １０３ 光ビーム １０４ 画像形成装置
１０７ 現像装置 １０８ 転写ローラ １０９ 用紙カセット
１１０ 給紙ローラ １１１ プリンタコントローラ １１２ 転写材（用紙）
１１３ 定着ローラ １１４ 加圧ローラ １１５ モーター
１１６ 排紙ローラ １１７ 外部機器

Claims (9)

1. 半導体レーザーから成る光源手段と、該光源手段からの光束を偏向走査する偏向手段と、前記光源手段からの光束を前記偏向手段の偏向面又はその近傍に焦線を結像する入射光学系と、前記偏向面で偏向された光束を被走査面に結像する複数の結像レンズを含む結像光学系とを有する光走査装置であって、
   前記結像光学系を構成する結像レンズのうち、少なくとも１つの光学面は、副走査断面内において非円弧形状であり、前記非円弧形状の非円弧量は主走査方向に変化しており、前記被走査面の光軸上と有効走査範囲の最大像高に結像する光束の副走査方向の近軸像面湾曲を各々ｄｓ（Ｙ＝０）、ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）とするとき、
   ｄｓ（Ｙ＝０）＜０
   ｄｓ（Ｙ＝Ｙｍａｘ）＞０
   なる条件を満足するように設定されていることを特徴とする光走査装置。
2. 副走査光束端部における非円弧量は、５００ｎｍ以下であり、前記非円弧量は軸上から軸外に向かって単調変化していることを特徴とする請求項１の光走査装置。
3. 主走査方向の光軸上において副走査方向の光束端部の非円弧量をδＰ０、主走査方向の有効端部において副走査方向の光束端部の非円弧量をδＰ１とするとき、
   ｜δＰ０｜＞｜δＰ１｜
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記副走査断面内の非円弧面は、副走査方向において光束が入射するときの光束幅が最も広い結像レンズに形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記光源手段は複数の発光点を有し、前記複数の発光点から放射された複数ビームのうちの最も光軸から離れた光束は、前記偏向手段の偏向面が副走査方向に３分傾いた場合の被走査面上の副走査方向のスポットの強度重心位置の変化が±２μｍ以下となるように、前記結像光学系は構成されていることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
6. 前記結像光学系の副走査方向のパワーが最も強い光学面には、前記複数の発光点から放射される複数のビームの主光線が副走査方向で同一位置を通過することを特徴とする請求項５記載の光走査装置。
7. 前記非円弧形状は前記結像光学系の主走査方向で光束の光束幅が最も狭い状態で入射する結像レンズの光学面に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光走査装置と、前記被走査面に配置された感光体と、前記光走査装置で走査された光束によって前記感光体に形成された静電潜像をトナー像として現像する現像器と、前記現像されたトナー像を被転写材に転写する転写器と、転写されたトナー像を被転写材に定着させる定着器とを備えたことを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光走査装置と、外部機器から入力したコードデータを画像信号に変換して前記光走査装置に入力せしめるプリンタコントローラとを備えたことを特徴とする画像形成装置。