JP2014232254A - 光走査装置及びこれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査レンズの生産性を良好とし、光学性能の安定化を図る。
【解決手段】光走査装置は、レーザー光を発する半導体レーザー２１と、レーザー光を偏向し走査させるＭＥＭＳミラー２４と、レーザー光Ｂをポリゴンミラー２６に入射させるコリメータレンズ２３及びシリンドリカルレンズ２４と、入射側の第１面Ｒ１及び出射側の第２面Ｒ２とを有する１枚の走査レンズ２５Ａとを備える。第１面Ｒ１は平面であり、第２面Ｒ２は非球面である。第１面Ｒ１には回折格子Ｄが形成された回折パワー面である。第２面Ｒ２は、光軸ＡＸ付近の近軸における主走査断面形状が前記レーザー光の進行方向に対して凹面Ｃ１であるレンズパワー面である。そして、第１面Ｒ１の近軸における主走査方向のパワーをφ１、第２面Ｒ２の近軸における主走査方向のパワーをφ２とするとき、
−４．５＜φ１／φ２＜−０．５
の条件を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、光線を被走査面上に結像させる走査レンズを備えた光走査装置、及びこれを用いた画像形成装置に関する。

例えばレーザープリンターや複写機等に用いられる一般的な光走査装置は、レーザー光を発する光源と、前記レーザー光を偏向し該レーザー光によって被走査面を走査させる偏向体と、偏向された前記レーザー光を感光体ドラムの周面（被走査面）上に結像させる走査レンズとを含む。前記走査レンズは、前記レーザー光による前記被走査面の走査を等速で行わせる補正機能を有する。また、当該走査レンズは、樹脂材料を用いた金型モールド成形にて製造されるのが一般的である。

前記走査レンズは、複数枚のレンズで構成される場合もあるが、装置のコンパクト化や低コスト化等の目的で、１枚のレンズで構成される場合もある。特許文献１には、走査レンズが１枚で構成される光走査装置において、当該走査レンズの入射面の主走査断面の形状を非球面とし、出射面に回折格子を形成する設計技術が開示されている。

特開２０００−２２１４３４号公報

しかしながら、上記特許文献１の光走査装置においては、走査レンズの偏肉比、すなわち、走査レンズの主走査方向における中心レンズ厚さに対する端部レンズ厚さの比についての考慮がなされていない。特許文献１に例示されている走査レンズの光軸方向の厚みは、主走査方向の中心部から端部に向かうにつれ薄くなっており、偏肉比が小さい（中心部と端部とで厚みの差が大きい）。このように偏肉比が小さい走査レンズをモールド成形で製造すると、成形毎に形状が微小に変動し易くなる。このため、成形された走査レンズ間で光学性能が安定しなくなる。この問題は、モールド成形において、注型時間及び冷却時間を長くすることで解消可能である。しかしながら、当然に生産性が悪化するという問題が生じる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、走査レンズの光学性能の安定化を図ることができる光走査装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の一の局面に係る光走査装置は、光線を発する光源と、前記光源から発せられる光線を偏向すると共に、前記光線で被走査面上を主走査方向に走査させる偏向体と、前記光源から発せられる光線を、収束光として前記偏向体に入射させる入射光学系と、前記偏向体と対向する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有し、前記偏向された光線を前記被走査面上に結像させる１枚の走査レンズと、を備え、前記第１面又は前記第２面のいずれか一方の面が、回折格子が形成される回折パワー面とされ、前記回折パワー面以外の他方の面が非球面形状を備えるレンズパワー面とされ、前記レンズパワー面が前記第２面であるとき、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記光線の進行方向に対して凹面であり、前記レンズパワー面が前記第１面であるとき、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記光線の進行方向に対して凸面であり、前記第１面の近軸における主走査方向のパワーをφ１、前記第２面の近軸における主走査方向のパワーをφ２とするとき、
−４．５＜φ１／φ２＜−０．５
の条件を満たす。

この構成によれば、走査レンズに回折パワー面を具備させることによって、回折格子のパワーにて光線を屈折させることができるので、当該回折パワー面が形成される面の、面自体の形状を単純化することができる。さらに、上記レンズパワー面を有し、且つ、上記の「−４．５＜φ１／φ２＜−０．５」との条件を満たすことによって、走査レンズの主走査断面における光軸方向のレンズ厚が、レンズ端部において薄くならないようにすることができる。このことは、走査レンズの偏肉比を可及的に１に近づけることに繋がる。つまり、走査レンズの厚みを主走査方向において略均一化できるようになる。従って、走査レンズを安定的に成形できるようになり、光学性能のロッド間ばらつきを低減できるようになる。

本発明の他の局面に係る光走査装置は、光線を発する光源と、前記光源から発せられる光線を偏向すると共に、前記光線で被走査面上を主走査方向に走査させる偏向体と、前記光源から発せられる光線を、収束光として前記偏向体に入射させる入射光学系と、前記偏向体と対向する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有し、前記偏向された光線を前記被走査面上に結像させる１枚の走査レンズと、を備え、前記第１面又は前記第２面のいずれか一方の面が、回折格子が形成される回折パワー面とされ、前記回折パワー面以外の他方の面が非球面形状を備えるレンズパワー面とされ、前記レンズパワー面が前記第２面であるとき、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記光線の進行方向に対して凸面であり、前記レンズパワー面が前記第１面であるとき、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記光線の進行方向に対して凹面であり、前記第１面の近軸における主走査方向のパワーをφ１、前記第２面の近軸における主走査方向のパワーをφ２とするとき、
０．５＜φ１／φ２＜２．０
の条件を満たす。

この構成によれば、走査レンズに回折パワー面を具備させることによって、回折格子のパワーにて光線を屈折させることができるので、当該回折パワー面が形成される面の、面自体の形状を単純化することができる。さらに、上記レンズパワー面を有し、且つ、上記の「０．５＜φ１／φ２＜２．０」との条件を満たすことによって、走査レンズの主走査断面における光軸方向のレンズ厚が、レンズ端部において薄くならないようにすることができる。このことは、走査レンズの偏肉比を可及的に１に近づけることに繋がる。つまり、走査レンズの厚みを主走査方向において略均一化できるようになる。従って、走査レンズを安定的に成形できるようになり、光学性能のロッド間ばらつきを低減できるようになる。

上記構成において、前記回折パワー面とされた、前記第１面又は前記第２面のいずれか一方の面の面形状が平面であることが望ましい。

この構成によれば、回折パワー面とされた面の面形状が平面であるので、走査レンズの偏肉比を可及的に１に近づけることができる。

上記構成において、前記回折パワー面とされた、前記第１面又は前記第２面のいずれか一方の面の面形状が、主走査方向にパワーを有する面形状であることが望ましい。

この構成によれば、走査レンズの偏肉比を可及的に１に近づけつつも、回折パワー面とされた面の面自体が有するパワーによって光路長を短くすることができる。従って、光走査装置の一層の小型化に寄与することができる。

上記構成において、前記偏向体が、回転軸と、該回転軸の軸回りに揺動するミラー部とを備える揺動型偏向体であることが望ましい。この場合、前記走査レンズが、アークサイン補正機能を備えることが望ましい。

これらの構成によれば、偏向体の小型化が図れると共に、当該揺動型偏向体を用いた場合における等速走査を確保することができる。

上記構成において、前記入射光学系はコリメータレンズを含み、該コリメータレンズが前記収束光を生成するパワーを有することが望ましい。

この構成によれば、前記入射光学系における前記収束光の生成を容易に行わせることができる。

本発明のさらに他の局面に係る画像形成装置は、静電潜像を担持する像担持体と、前記像担持体の周面を前記被走査面として光線を照射する、上記に記載の光走査装置と、を備える。

本発明によれば、走査レンズの生産性が良好で、しかも走査レンズの光学性能の安定化を図ることができる光走査装置及び画像形成装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る画像形成装置の概略構成を示す断面図である。 第１実施形態に係る光走査装置の主走査断面の構成を示す光路図である。 偏向体（ＭＥＭＳミラー）の概略的な正面図である。 第１実施形態に係る走査レンズの主走査断面図である。 第１実施形態の変形例に係る走査レンズの主走査断面図である。 第１実施形態に係る走査レンズの偏肉比を示すグラフである。 実施例１の走査光学系を備えた光走査装置のリニアリティを示すグラフである。 実施例１の走査光学系を備えた光走査装置の主走査方向の像面湾曲を示すグラフである。 実施例１の走査光学系を備えた光走査装置の副走査方向の像面湾曲を示すグラフである。 （Ａ）は、第１面／第２面のパワー比φ１／φ２とコリメータレンズの集光点との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、コリメータレンズの集光点を示す図である。 第２実施形態に係る光走査装置の主走査断面の構成を示す光路図である。 第２実施形態に係る走査レンズの偏肉比を示すグラフである。 実施例２の走査光学系を備えた光走査装置のリニアリティを示すグラフである。 実施例２の走査光学系を備えた光走査装置の主走査方向の像面湾曲を示すグラフである。 実施例２の走査光学系を備えた光走査装置の副走査方向の像面湾曲を示すグラフである。 第３実施形態に係る光走査装置の主走査断面の構成を示す光路図である。 第３実施形態に係る走査レンズの主走査断面図である。 第３実施形態の変形例に係る走査レンズの主走査断面図である。 第３実施形態に係る走査レンズの偏肉比を示すグラフである。 実施例３の走査光学系を備えた光走査装置のリニアリティを示すグラフである。 実施例３の走査光学系を備えた光走査装置の主走査方向の像面湾曲を示すグラフである。 実施例３の走査光学系を備えた光走査装置の副走査方向の像面湾曲を示すグラフである。 第３実施形態に係る走査レンズの、第１面／第２面のパワー比φ１／φ２とコリメータレンズの集光点との関係を示すグラフである。 第４実施形態に係る光走査装置の主走査断面の構成を示す光路図である。 第４実施形態に係る走査レンズの偏肉比を示すグラフである。 実施例４の走査光学系を備えた光走査装置のリニアリティを示すグラフである。 実施例４走査光学系を備えた光走査装置の主走査方向の像面湾曲を示すグラフである。 実施例４の走査光学系を備えた光走査装置の副走査方向の像面湾曲を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る光走査装置について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光走査装置１１を含む画像形成装置１の構成を概略的に示した断面図である。画像形成装置１は、光走査装置１１、現像器１２、帯電器１３、感光体ドラム１４（像担持体）、転写ローラー１５、定着器１６及び給紙カセット１７を備えている。

感光体ドラム１４は、円筒状の部材であり、その周面に静電潜像及びトナー像が形成される。感光体ドラム１４は、図略のモーターからの駆動力を受けて、図１における時計回りの方向に回転される。帯電器１３は、感光体ドラム１４の表面を略一様に帯電する。

光走査装置１１は、レーザーダイオード等の光源、偏向体、走査レンズ及び光学素子等を備え、帯電器１３によって略一様に帯電された感光体ドラム１４の周面（被走査面）に対して、画像データに応じたレーザー光を照射して、画像データの静電潜像を形成する。この光走査装置１１については、後記で詳述する。

現像器１２は、静電潜像が形成された感光体ドラム１４の周面にトナーを供給してトナー像を形成する。現像器１２は、トナーを担持する現像ローラー、及びトナーを攪拌しつつ搬送するスクリューを含む。感光体ドラム１４に形成されたトナー像は、給紙カセット１７から繰り出され搬送路Ｐを搬送される記録紙に転写される。この現像器１２には、図略のトナーコンテナからトナーが補給される。

感光体ドラム１４の下方には転写ローラー１５が対向して配設され、両者によって転写ニップ部が形成されている。転写ローラー１５は、導電性を有するゴム材料等で構成されると共に転写バイアスが与えられ、感光体ドラム１４に形成されたトナー像を前記記録紙に転写させる。

定着器１６は、ヒーターを内蔵する定着ローラー１６０と、該定着ローラー１６０と定着ニップ部を形成する加圧ローラー１６１とを備える。前記定着ニップ部を、トナー像が形成された記録紙が通過することにより、トナー像が記録紙に定着される。

次に、画像形成装置１の画像形成動作について簡単に説明する。先ず、帯電器１３により感光体ドラム１４の表面が略均一に帯電される。帯電された感光体ドラム１４の周面が、光走査装置１１により露光され、記録紙に形成する画像の静電潜像が感光体ドラム１４の表面に形成される。この静電潜像が、現像器１２から感光体ドラム１４の周面にトナーが供給されることにより、トナー像として顕在化される。一方、給紙カセット１７からは記録紙が搬送路１７０に繰り出される。前記トナー像は、前記転写ニップ部を記録紙が通過することにより、当該記録紙に転写される。この転写動作が行われた後、記録紙は定着器１６（前記定着ニップ部）に搬送され、記録紙にトナー像が固着される。

＜第１実施形態＞
以下、上述の光走査装置１１のいくつかの具体的実施形態について説明する。図２は、第１実施形態に係る光走査装置１１Ａの主走査断面の構成を示す平面図である。光走査装置１１Ａは、半導体レーザー２１（光源）、コリメータレンズ２２、シリンドリカルレンズ２３、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー２４（偏向体／揺動型偏向体）及び走査レンズ２５Ａを備える。本実施形態の光走査装置１１Ａは、走査レンズが１枚のレンズのみで構成されている（後述する他の実施形態でも同じ）。

半導体レーザー２１は、所定の波長のレーザー光（光線）を発する光源である。コリメータレンズ２２は、半導体レーザー２１から発せられ拡散するレーザー光を収束光に変換する。シリンドリカルレンズ２３は、コリメータレンズ２２から出射されたレーザー光を主走査方向に長い線状光に変換してＭＥＭＳミラー２４に結像させる。本実施形態では、コリメータレンズ２２及びシリンドリカルレンズ２３によって、レーザー光を収束光としてＭＥＭＳミラー２４に入射させる入射光学系が構成されている。この入射光学系は、主走査平面において、ＭＥＭＳミラー２４から感光体ドラム１４の周面１４Ｓ（被走査面）に至る反射光線と交差しないよう、ＭＥＭＳミラー２４の斜め方向に配置されている（斜入射光学系）。なお、前記入射光学系を、光軸を含む副走査断面内に配置する所謂センター入射光学系としても良い。

ＭＥＭＳミラー２４は、半導体レーザー２１から発せられたレーザー光を偏向（反射）すると共に、偏向したレーザー光によって感光体ドラム１４の周面１４Ｓを走査させる。図３は、ＭＥＭＳミラー２４の概略的な正面図である。ＭＥＭＳミラー２４は、正弦揺動方式のミラーであって、シリコン等の半導体基板に機械駆動部品が搭載されたＭＥＭＳ基板２４０と、レーザー光を反射するミラー部２４１と、ミラー部２４１を挟むように配置され該ミラー部２４１を支持する一対のトーションバー２４２（回転軸）とを含む。ＭＥＭＳ基板２４０には矩形の窓部２４０Ｗが備えられ、この窓部２４０Ｗの内周縁でトーションバー２４２が保持されている。一対のトーションバー２４２の軸心が、ミラー部２４１の揺動軸となる。

ミラー部２４１には、外部から通電可能なコイルが搭載されている。また、ＭＥＭＳ基板２４０にはマグネットが搭載されている。前記コイルには交流電流が通電され、この電流と前記マグネットの磁界とで生成されるローレンツ力によって、ミラー部２４１がトーションバー２４２の軸回りに往復揺動する。この揺動は、印加される交流電圧の周波数に依存する。本実施形態では、ＭＥＭＳミラー２４は正弦揺動方式で駆動される。従って、ミラー部２４１のコイルには、所定周波数の基本正弦波の電圧が印加される。この正弦波電圧の印加によってミラー部２４１は揺動軸２４Ｓの軸回りに揺動し、レーザー光を偏向し、該レーザー光によって周面１４Ｓを走査させることができる。

走査レンズ２５Ａは、ＭＥＭＳミラー２４によって偏向されたレーザー光を集光し、感光体ドラム１４の周面１４Ｓに結像させる。上述の通り、ＭＥＭＳミラー２４は正弦揺動方式で駆動される偏向体であるため、前記レーザー光によって周面１４Ｓを等速で走査させるためには、アークサイン補正機能を有するレンズを走査レンズとして用いる必要がある。従って、走査レンズ２５Ａは、アークサイン特性を有している。すなわち、焦点距離をｆ、像高をｙとするとき、ｙ＝ｆ・ａｒｃｓｉｎθとなる特性を、走査レンズ２５Ａは有している。

走査レンズ２５Ａは、透光性樹脂材料を用いた金型モールド成形にて製造されている。このため、走査レンズ２５Ａが偏肉比の小さいレンズである場合、すなわち、走査レンズ２５Ａの主走査方向における中心レンズ厚さに対する端部レンズ厚さの比が小さいレンズ設計である場合、成形毎にレンズ形状が微小に変動し易くなり、成形された複数の走査レンズ間で光学性能が安定しなくなる。とりわけ、アークサイン特性を有する走査レンズは、一般的な走査レンズであるｆθレンズに比べて、像高端部に到達する光を大きく屈折させる必要があるため、走査レンズの主走査方向端部付近のレンズ面の曲率が大きくなる傾向がある。この傾向は、走査レンズを１枚のレンズで構成する走査光学系においては一層顕著となり、結果として前記偏肉比が小さくなる。このため、本実施形態では、走査レンズ２５Ａの偏肉比を可及的に１に近づける工夫が為されている。

図４は、走査レンズ２５Ａの主走査断面図である。走査レンズ２５Ａは、ＭＥＭＳミラー２４と対向する第１面Ｒ１と、この第１面Ｒ１とは反対の面であって周面１４Ｓと対向する第２面Ｒ２とを備える。第１面Ｒ１は、レーザー光が入射する入射面であり、第２面Ｒ２は、前記レーザー光が出射する出射面である。

図４（図２）では、第１面Ｒ１（一方の面）は平面であり、第２面Ｒ２（他方の面）は非球面である走査レンズ２５Ａを例示している。第１面Ｒ１には回折格子Ｄが形成され、これにより当該第１面Ｒ１は回折による光学的パワーを有する回折パワー面とされている。一方、第２面Ｒ２は、前記非球面の形状によって作られる光学的パワーを有するレンズパワー面とされている。

第１面Ｒ１の回折格子Ｄは、例えば、光軸ＡＸを中心にして同心円状（同心円弧状）に切削された複数の溝又はフォトリソグラフィにより形成された複数の凸条からなる。或いは、回折格子Ｄは、副走査方向に直線状に延びる複数の溝又は凸条であっても良い。当該回折格子Ｄの主走査断面の形状は、鋸歯状又は階段状である。前記溝又は凸条の間隔（格子間隔）は、光軸ＡＸからレンズの主走査方向端部に向かうに伴って小さくなっている。回折格子Ｄは、主走査方向において、第１面Ｒ１に入射するレーザー光を収束光とするパワーを有している。すなわち、半導体レーザー２１が発するレーザー光は、回折格子Ｄを通過する際に当該レーザー光の波長により定まる回折特性により回折されるが、この回折によって収束光が作られるように回折格子Ｄが形成されている。

このように、走査レンズ２５Ａに回折パワー面を具備させることによって、回折格子Ｄのパワーにてレーザー光を実質的に屈折させることができる。このため、当該回折パワー面が形成される面の、面自体の形状を単純化することができる。すなわち、第１面Ｒ１を平面とすることができる。

第２面Ｒ２のレンズパワー面は、光軸ＡＸ付近の近軸における主走査断面形状が前記レーザー光の進行方向に対して凹面Ｃ１である。凹面Ｃ１の主走査方向の両サイドには変曲点Ｐが存在し、それぞれその先に凸面Ｃ２が連なっている。すなわち、レンズパワー面は、主走査断面で見て、近軸付近の凹面Ｃ１と、この凹面３１を両サイドから挟む２つの凸面Ｃ２とを有している。

以上の通り、第１面Ｒ１が平面状で、第２面Ｒ２の近軸付近が凹面Ｃ１であるレンズ形状を有するので、走査レンズ２５Ａは、光軸ＡＸ方向のレンズ厚さがレンズ端部に向かうに従って薄くなることを抑止できる。このことは、走査レンズ２５Ａの前記レンズ厚さを、主走査方向において大きく変化させずに済むということに繋がる。つまり、走査レンズ２５Ａの偏肉比を従来よりも大きくすることができ、その結果、可及的に１に近づけることができるようになる。従って、走査レンズ２５Ａを安定的に成形でき、光学性能のロッド間ばらつきを低減できるようになる。

図５は、第１実施形態の変形例に係る走査レンズ２５０Ａの主走査断面図である。走査レンズ２５０Ａは、図４の走査レンズ２５Ａとは逆に、第２面Ｒ２が平面であって、この第２面Ｒ２に回折格子Ｄが形成されている例を示している。第１面Ｒ１は非球面である。これにより第２面Ｒ２が回折による光学的パワーを有する回折パワー面とされ、第１面Ｒ１が、前記非球面の形状によって作られる光学的パワーを有するレンズパワー面とされている。この場合、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記レーザー光の進行方向に対して凸面Ｃ２である。そして、凸面Ｃ２の主走査方向の両サイドには変曲点Ｐが存在し、それぞれその先に凹面Ｃ１が連なっている。このように、回折格子Ｄを有する回折パワー面は、第１面Ｒ１又は第２面Ｒ２のいずれに配置しても良い。

上述の通り、本実施形態のコリメータレンズ２２は、レーザー光を収束光に変換する光学的パワーを有している。これにより、走査光学系の光路長を短くでき、光走査装置１１Ａのコンパクト化を図ることができる利点がある。このような光学構成を有する本実施形態において、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とのパワー比が、偏肉比の変動を小さくすることができる範囲に選ばれる。すなわち、第１面Ｒ１の近軸における主走査方向のパワーをφ１、第２面Ｒ２の近軸における主走査方向のパワーをφ２とするとき、
−４．５＜φ１／φ２＜−０．５ ・・・（１）
の条件を満たすように、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とのパワー比が設定される。

上記（１）式の条件を満たすことによって、走査レンズ２５Ａにコリメータレンズ２２を介して収束光が入射される場合でも、所期の光学特性を満たしつつ、前記偏肉比を可及的に１に近づけることができる。上記所期の光学特性は、例えば、リニアリティが±１ｍｍ以内、像面湾曲が±１ｍｍ以内という条件を満たす光学特性である。また、偏肉比の変動が小さいとは、例えば、主走査方向における中心レンズ厚さを１とするとき、端部レンズ厚さが０．７以上（偏肉比＞０．７）の場合である。なお、コリメータレンズ２２のバックフォーカスＦｂ（図１０（Ｂ）に示すように、コリメータレンズ２２の像側レンズ面から集光点までの距離）が短すぎると、上記光学特性が悪化する傾向がある。このため、コリメータレンズ２２のバックフォーカスＦｂは、２００ｍｍ以上とすることが望ましい。このように、走査レンズ２５Ａに回折パワー面及びレンズパワー面を具備させ、且つ、上記（１）式を満たすことによって、走査レンズ２５Ａの主走査断面における光軸方向のレンズ厚が、レンズ端部において薄くならないようにすることができる。

次に、上記実施形態１に係る光走査装置１１Ａの要件を満たす走査光学系のコンストラクションデータの一例を、実施例１として示す。実施例１の走査光学系は、図２に示す通り、半導体レーザー２１側から順に、１枚のコリメータレンズ２２、１枚のシリンドリカルレンズ２３、ＭＥＭＳミラー２４及び１枚の走査レンズ２５Ａが配置された構成である。また、実施例１の走査光学系における各レンズの光学性能及び走査レンズ２５Ａの第１面Ｒ１、第２面Ｒ２の面形状は表１の通りである。

表１において、ｆは焦点距離、Ｆｂはコリメータレンズ２２のバックフォーカス、「偏向器−走査レンズ距離」は、走査レンズ２５Ａの第１面Ｒ１とＭＥＭＳミラー２４（ミラー部２４１）との間の距離、「走査レンズ−像面距離」は、走査レンズ２５Ａの第２面Ｒ２と感光体ドラム１４の周面１４Ｓとの間の距離、ｄは光軸上における走査レンズ２５Ａのレンズ厚さ（中心厚さ）をそれぞれ表しており、これらの単位はミリメートルである。ｎは屈折率を示す。また、表１において、「Ｒ１」欄は、走査レンズ２５Ａの第１面Ｒ１（入射面）の面形状を、「Ｒ２」欄は第２面Ｒ２（出射面）の面形状を各々示している。この実施例１では、回折格子Ｄは第１面Ｒ１に形成され、第１面Ｒ１自体はレンズパワーを備えていない。なお、Ｒｍは主走査曲率半径、Ｒｓは副走査曲率半径、Ｋは主走査コーニック係数、Ａｎ及びＢｎ（ｎは整数）は面形状の高次の係数、Ｃｎは位相多項式係数を示している。以上の設計は、ＭＥＭＳミラー２４の最大振り角を１００°として為されたものである。

第１面Ｒ１及び第２面Ｒ２の面形状は、面頂点を原点、副走査方向をｘ軸、主走査方向をｙ軸、周面１４Ｓに向かう向きをｚ軸の正の方向（光軸方向）とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用い、以下のサグ量を示す数式により定義する。但し、Ｚｍ（主走査方向）、Ｚｓ（副走査方向）は、高さｙの位置でのｚ軸方向の変位量（面頂点基準）、ｙは、ｚ軸に対して垂直な方向の高さ（Ｙ²＝ｘ²＋ｙ²）である。

サグ量Ｓａｇ＝Ｚｍ＋Ｚｓ
主走査方向の面形状Ｚｍ

副走査方向の面形状Ｚｓ（以下に示す楕円）

但し、Ｒｙ：主走査曲率半径
Ｒ_０：副走査曲率半径
Ｋ ：主走査コーニック係数
Ｋｘ：副走査コーニック係数
Ａ_２ｉ、Ｂ_２ｉ：面形状の高次の係数

回折格子の位相関数の式は、次式で示される。

但し、Ｃ５〜Ｃ４４：位相多項式係数
λ：レーザー光の波長（実施例１では７８０μｍ）
実施例１では、回折光として１次回折光を用いた（後述の実施例２〜４も同じ）。格子の高さｈは、回折次数をｍ、屈折率をｎ、波長をλとするとき、
ｈ＝ｍ・ｎ・λ＝１・１．５０４・０．７８＝１．１７（μｍ）
となる。

図６は、実施例１の走査レンズ２５Ａの主走査断面における偏肉比を示すグラフである。ここでは、主走査方向の中心における走査レンズ２５Ａのレンズ厚さ（中心厚さ）を１としたときの、レンズ幅方向における厚さ比率を示している。図６から明らかな通り、走査レンズ２５Ａの主走査方向端部のレンズ厚さの、前記中心厚さに対する比率は０．９程度である。このように、第１面Ｒ１に回折格子Ｄを形成することによって、主走査方向端部のレンズ厚さを十分な厚さに設定できている。走査レンズを安定的に成形し、生産性を向上させるためには、前記中心厚さに対する端部レンズ厚さの比率は、０．４以上とすることが望ましく、より成形性を安定させるためには前記比率を０．７以上とすることが望ましい。実施例１の走査レンズ２５Ａは、当該望ましい要件を満足する、生産性に優れたレンズであると言うことができる。

図７は、実施例１の走査光学系を備えた光走査装置のリニアリティを示すグラフ、図８、図９は、それぞれ当該光走査装置の主走査方向、副走査方向の像面湾曲を示すグラフである。図７〜図９のグラフから明らかな通り、リニアリティ及び像面湾曲は、いずれも±１ｍｍ以下の低いレベルに抑制されており、実用上問題が無い光学性能を有することが確認された。

図１０（Ａ）は、第１面Ｒ１／第２面Ｒ２のパワー比φ１／φ２とコリメータレンズ２２の集光点との関係を示すグラフ、図１０（Ｂ）は、コリメータレンズ２２の集光点を示す図である。コリメータレンズ２２は、半導体レーザーから入射された拡散レーザー光を屈折させ、収束光に変換して集光点に結像させる光学的パワーを有している。図１０（Ｂ）に示すように、コリメータレンズ２２の像側の面から集光点までの距離がバックフォーカスＦｂである。

図１０（Ａ）は、上記実施例１の光学構成において、コリメータレンズ２２のバックフォーカスＦｂだけを変化させたときの、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とのパワー比φ１／φ２の変化を示すグラフである。すなわち、バックフォーカスＦｂを２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ及び無限大に変化させたときの、パワー比φ１／φ２の変化を示すグラフである。この変化範囲において、リニアリティ及び像面湾曲は、いずれも±１ｍｍ以下の低いレベルであることが確認されている。この結果から明らかな通り、φ１／φ２が−４．５〜−０．５の範囲内（上記（１）式の範囲内）であれば、上述の偏肉比を小さくするという要請を満足した上で、走査レンズ２５Ａに収束光を入射した場合において所望の光学特性を満足させることができる。因みに、上記実施例１では、コリメータレンズ２２のバックフォーカスＦｂ＝２３５ｍｍであり、φ１／φ２は概ね−１であって、上記（１）式の範囲内である。

＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態に係る光走査装置１１Ｂの主走査断面の構成を示す平面図である。光走査装置１１Ｂは、半導体レーザー２１、コリメータレンズ２２、シリンドリカルレンズ２３、ＭＥＭＳミラー２４及び走査レンズ２５Ｂを備える。第１実施形態と相違する点は、走査レンズ２５Ｂの第１面Ｒ１が、平面ではなく非球面とされている点である。回折格子Ｄは、この第１面Ｒ１に形成されている。すなわち、この第２実施形態では、第１面Ｒ１は主走査方向にレンズパワーが付加された回折パワー面である。第２面Ｒ２は、第１実施形態と同様に非球面形状を備えるレンズパワー面である。第２実施形態によれば、走査レンズ２５Ｂの偏肉比を可及的に１に近づけつつも、回折パワー面とされた第１面Ｒ１の面自体が有するパワーによって光路長を短くすることができる。従って、光走査装置の一層の小型化に寄与することができる。

上記実施形態２に係る光走査装置１１Ｂの要件を満たす走査光学系のコンストラクションデータの一例を、実施例２として示す。実施例２の走査光学系は、図１１に示す通り、半導体レーザー２１側から順に、１枚のコリメータレンズ２２、１枚のシリンドリカルレンズ２３、ＭＥＭＳミラー２４及び１枚の走査レンズ２５Ｂが配置された構成である。また、実施例２の走査光学系における各レンズの光学性能及び走査レンズ２５Ｂの第１面Ｒ１、第２面Ｒ２の面形状は表２の通りである。

表２における符号及び単位等は、先に表１について説明したものと同じである。実施例２は、コリメータレンズ２２のバックフォーカスＦｂが３２０ｍｍである点、回折格子Ｄが形成される第１面Ｒ１自体が主走査方向にレンズパワーを備えている点などにおいて、先の実施例１とは異なっている。なお、第１面Ｒ１及び第２面Ｒ２の面形状は、先に示した条件式（２）及び（３）のサグ量を示す数式により定義される。また、回折格子の位相関数は、上記の条件式（４）で示される。以上の設計は、ＭＥＭＳミラー２４の最大振り角を１００°として為されたものである。

図１２は、実施例２の走査レンズ２５Ｂの主走査断面における偏肉比を示すグラフである。ここでは、主走査方向の中心における走査レンズ２５Ｂのレンズ厚さ（中心厚さ）を１としたときの、レンズ幅方向における厚さ比率を示している。図１２から明らかな通り、走査レンズ２５Ｂの主走査方向端部のレンズ厚さの、前記中心厚さに対する比率は０．８程度である。このように、第１面Ｒ１に回折格子Ｄを形成することによって、主走査方向端部のレンズ厚さを十分な厚さに設定できている。

図１３は、実施例２の走査光学系を備えた光走査装置のリニアリティを示すグラフ、図１４、図１５は、それぞれ当該光走査装置の主走査方向、副走査方向の像面湾曲を示すグラフである。図１３〜図１５のグラフから明らかな通り、リニアリティ及び像面湾曲は、いずれも±１ｍｍ以下の低いレベルに抑制されており、実用上問題が無い光学性能を有することが確認された。

また、走査レンズ２５Ｂの第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とのパワー比φ１／φ２は−０．８であり、上記（１）式の範囲内である。

＜第３実施形態＞
図１６は、第３実施形態に係る光走査装置１１Ｃの主走査断面の構成を示す平面図である。光走査装置１１Ｃは、レーザー光を発する半導体レーザー２１、レーザー光を収束光に変換する光学的パワーを有するコリメータレンズ２２、シリンドリカルレンズ２３、偏向体としてのＭＥＭＳミラー２４及び走査レンズ２５Ｃを備える。第１実施形態と相違する点は、走査レンズ２５Ｃの第２面Ｒ２が、近軸における主走査断面形状がレーザー光の進行方向に対して凸面である点である。以下、走査レンズ２５Ｃについて詳述する。

図１７は、走査レンズ２５Ｃの主走査断面図である。走査レンズ２５Ｃは、ＭＥＭＳミラー２４と対向する第１面Ｒ１と、この第１面Ｒ１とは反対の面であって周面１４Ｓと対向する第２面Ｒ２とを備える。第１面Ｒ１は、レーザー光が入射する入射面であり、第２面Ｒ２は、前記レーザー光が出射する出射面である。

図１７では、第１面Ｒ１（一方の面）は平面状であり、第２面Ｒ２（他方の面）は非球面である走査レンズ２５Ａを例示している。第１面Ｒ１には回折格子Ｄが形成され、これにより当該第１面Ｒ１は回折による光学的パワーを有する回折パワー面とされている。一方、第２面Ｒ２は、前記非球面の形状によって作られる光学的パワーを有するレンズパワー面とされている。第１面Ｒ１の回折格子Ｄは、先に第１実施形態において説明したものと同じであり、主走査方向において、第１面Ｒ１に入射するレーザー光を収束光とするパワーを有している。

第２面Ｒ２のレンズパワー面は、光軸ＡＸ付近の近軸における主走査断面形状が前記レーザー光の進行方向に対して凸面Ｃ２である。この近軸の凸面Ｃ２が、走査レンズ２５Ｃにおいて光軸方向に最もレンズ厚さが厚い領域であり、レンズ端部に向けて徐々にレンズ厚さが薄くなっている。しかし、第１面Ｒ１は平面であって回折格子Ｄのパワーに依存する面であることから、走査レンズ２５Ｃのレンズ厚さを、主走査方向において大きく変化させずに済む。つまり、走査レンズ２５Ｃの偏肉比を可及的に１に近づけることができるようになる。従って、走査レンズ２５Ｃを安定的に成形でき、光学性能のロッド間ばらつきを低減できる。

図１８は、第３実施形態の変形例に係る走査レンズ２５０Ｃの主走査断面図である。走査レンズ２５０Ｃは、図１７の走査レンズ２５Ｃとは逆に、第２面Ｒ２が平面であって、この第２面Ｒ２に回折格子Ｄが形成されている例を示している。第１面Ｒ１は非球面である。これにより第２面Ｒ２が回折による光学的パワーを有する回折パワー面とされ、第１面Ｒ１が、前記非球面の形状によって作られる光学的パワーを有するレンズパワー面とされている。この場合、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記レーザー光の進行方向に対して凹面Ｃ１である。このように、回折格子Ｄを有する回折パワー面は、第１面Ｒ１又は第２面Ｒ２のいずれに配置しても良い。

上述の通り、本実施形態のコリメータレンズ２２は、レーザー光を収束光に変換する光学的パワーを有している。これにより、走査光学系の光路長を短くでき、光走査装置１１Ｃのコンパクト化を図ることができる利点がある。このような光学構成を有する第３実施形態において、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とのパワー比が、走査レンズ２５Ｃの偏肉比の変動を小さくすることができる範囲に選ばれる。すなわち、第１面Ｒ１の近軸における主走査方向のパワーをφ１、第２面Ｒ２の近軸における主走査方向のパワーをφ２とするとき、
０．５＜φ１／φ２＜２．０ ・・・（５）
の条件を満たすように、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とのパワー比が設定される。

上記（５）式の条件を満たすことによって、走査レンズ２５Ｃにコリメータレンズ２２を介して収束光が入射される場合でも、所期の光学特性を満たしつつ、前記偏肉比を可及的に１に近づけることができる。上記所期の光学特性は、例えば、リニアリティが±１ｍｍ以内、像面湾曲が±１ｍｍ以内という条件を満たす光学特性である。また、偏肉比の変動が小さいとは、例えば、主走査方向における中心レンズ厚さを１とするとき、端部レンズ厚さが０．７以上（偏肉比＞０．７）の場合である。このように、走査レンズ２５Ｃに回折パワー面及びレンズパワー面を具備させ、且つ、上記（５）式を満たすことによって、走査レンズ２５Ｃの主走査断面における光軸方向のレンズ厚が、レンズ端部において薄くならないようにすることができる。

次に、上記実施形態３に係る光走査装置１１Ｃの要件を満たす走査光学系のコンストラクションデータの一例を、実施例３として示す。実施例３の走査光学系は、図１６に示す通り、半導体レーザー２１側から順に、１枚のコリメータレンズ２２、１枚のシリンドリカルレンズ２３、ＭＥＭＳミラー２４及び１枚の走査レンズ２５Ｃが配置された構成である。回折格子Ｄは、走査レンズ２５Ｃ第１面Ｒ１に形成されている。実施例３の走査光学系における各レンズの光学性能及び走査レンズ２５Ｃの第１面Ｒ１、第２面Ｒ２の面形状は表３の通りである。

表３における符号及び単位等は、先に表１について説明したものと同じである。また、第１面Ｒ１及び第２面Ｒ２の面形状は、先に示した条件式（２）及び（３）のサグ量を示す数式により定義される。また、回折格子の位相関数は、上記の条件式（４）で示される。以上の設計は、ＭＥＭＳミラー２４の最大振り角を５０°として為されたものである。

図１９は、実施例３の走査レンズ２５Ｃの主走査断面における偏肉比を示すグラフである。ここでは、主走査方向の中心における走査レンズ２５Ｃのレンズ厚さ（中心厚さ）を１としたときの、レンズ幅方向における厚さ比率を示している。図１９から明らかな通り、走査レンズ２５Ｃの主走査方向端部のレンズ厚さの、前記中心厚さに対する比率は０．７程度である。このように、第１面Ｒ１に回折格子Ｄを形成することによって、主走査方向端部のレンズ厚さを十分な厚さに設定できている。

図２０は、実施例３の走査光学系を備えた光走査装置のリニアリティを示すグラフ、図２１、図２２は、それぞれ当該光走査装置の主走査方向、副走査方向の像面湾曲を示すグラフである。図２０〜図２２のグラフから明らかな通り、リニアリティ及び像面湾曲は、いずれも±１ｍｍ以下の低いレベルに抑制されており、実用上問題が無い光学性能を有することが確認された。

図２３は、第１面Ｒ１／第２面Ｒ２のパワー比φ１／φ２とコリメータレンズ２２の集光点との関係を示すグラフである。図２３は、上記実施例３の光学構成において、コリメータレンズ２２のバックフォーカスＦｂだけを変化させたときの、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とのパワー比φ１／φ２の変化を示すグラフである。すなわち、バックフォーカスＦｂを２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ及び無限大に変化させたときの、パワー比φ１／φ２の変化を示すグラフである。この変化範囲において、リニアリティ及び像面湾曲は、いずれも±１ｍｍ以下の低いレベルであることが確認されている。この結果から明らかな通り、φ１／φ２が０．５〜２．０の範囲内（上記（５）式の範囲内）であれば、上述の偏肉比の変動を小さくするという要請を満足した上で、走査レンズ２５Ｃに収束光を入射した場合において所望の光学特性を満足させることができる。因みに、上記実施例３では、コリメータレンズ２２のバックフォーカスＦｂ＝３２０ｍｍであり、φ１／φ２は概ね０．８５であって、上記（５）式の範囲内である。

＜第４実施形態＞
図２４は、第４実施形態に係る光走査装置１１Ｄの主走査断面の構成を示す平面図である。光走査装置１１Ｄは、半導体レーザー２１、コリメータレンズ２２、シリンドリカルレンズ２３、ＭＥＭＳミラー２４及び走査レンズ２５Ｄを備える。第３実施形態と相違する点は、走査レンズ２５Ｄの第１面Ｒ１が、平面ではなく非球面とされている点である。回折格子Ｄは、この第１面Ｒ１に形成されている。すなわち、この第４実施形態では、第１面Ｒ１は主走査方向にレンズパワーが付加された回折パワー面である。第２面Ｒ２は、第３実施形態と同様に非球面形状を備えるレンズパワー面である。

上記実施形態４に係る光走査装置１１Ｄの要件を満たす走査光学系のコンストラクションデータの一例を、実施例４として示す。実施例４の走査光学系は、図２４に示す通り、半導体レーザー２１側から順に、１枚のコリメータレンズ２２、１枚のシリンドリカルレンズ２３、ＭＥＭＳミラー２４及び１枚の走査レンズ２５Ｄが配置された構成である。また、実施例４の走査光学系における各レンズの光学性能及び走査レンズ２５Ｄの第１面Ｒ１、第２面Ｒ２の面形状は表４の通りである。

表４における符号及び単位等は、先に表１について説明したものと同じである。実施例４は、回折格子Ｄが形成される第１面Ｒ１自体が主走査方向にレンズパワーを備えている点などにおいて、先の実施例３とは異なっている。なお、第１面Ｒ１及び第２面Ｒ２の面形状は、先に示した条件式（２）及び（３）のサグ量を示す数式により定義される。また、回折格子の位相関数は、上記の条件式（４）で示される。以上の設計は、ＭＥＭＳミラー２４の最大振り角を５０°として為されたものである。

図２５は、実施例４の走査レンズ２５Ｄの主走査断面における偏肉比を示すグラフである。ここでは、主走査方向の中心における走査レンズ２５Ｄのレンズ厚さ（中心厚さ）を１としたときの、レンズ幅方向における厚さ比率を示している。図２５から明らかな通り、走査レンズ２５Ｄの主走査方向端部のレンズ厚さの、前記中心厚さに対する比率は０．７程度である。このように、第１面Ｒ１に回折格子Ｄを形成することによって、主走査方向端部のレンズ厚さを十分な厚さに設定できている。

図２６は、実施例４の走査光学系を備えた光走査装置のリニアリティを示すグラフ、図２７、図２８は、それぞれ当該光走査装置の主走査方向、副走査方向の像面湾曲を示すグラフである。図２６〜図２８のグラフから明らかな通り、リニアリティ及び像面湾曲は、主走査方向及び副走査方向の双方共、±１ｍｍ以下乃至はこれと同等の低いレベルに抑制されており、実用上問題が無い光学性能を有することが確認された。また、走査レンズ２５Ｄの第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とのパワー比φ１／φ２は０．８５であり、上記（５）式の範囲内である。

以上説明した本実施形態に係る光走査装置１１Ａ〜１１Ｄによれば、走査レンズ２５Ａ〜２５Ｄの光軸方向の厚みを、主走査方向において大きく変化させずに済み、当該走査レンズ２５Ａ〜２５Ｄを安定的に成形できる。従って、走査レンズの生産性を良好にし、走査レンズの光学性能の安定化を図ることができるとともに、結像性能にも優れた光走査装置を提供できる。

１ 画像形成装置
１１、１１Ａ〜１１Ｄ 光走査装置
１４ 感光体ドラム（像担持体）
１４Ｓ 周面（被走査面）
２１ 半導体レーザー（光源）
２２ コリメータレンズ（入射光学系の一部）
２３ シリンドリカルレンズ（入射光学系の一部）
２４ ＭＥＭＳミラー（偏向体）
２５ 走査レンズ
Ｒ１ 第１面
Ｒ２ 第２面
Ｃ１ 凹面
Ｃ２ 凸面

Claims (8)

1. 光線を発する光源と、
   前記光源から発せられる光線を偏向すると共に、前記光線で被走査面上を主走査方向に走査させる偏向体と、
   前記光源から発せられる光線を、収束光として前記偏向体に入射させる入射光学系と、
   前記偏向体と対向する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有し、前記偏向された光線を前記被走査面上に結像させる１枚の走査レンズと、を備え、
   前記第１面又は前記第２面のいずれか一方の面が、回折格子が形成される回折パワー面とされ、前記回折パワー面以外の他方の面が非球面形状を備えるレンズパワー面とされ、
   前記レンズパワー面が前記第２面であるとき、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記光線の進行方向に対して凹面であり、
   前記レンズパワー面が前記第１面であるとき、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記光線の進行方向に対して凸面であり、
   前記第１面の近軸における主走査方向のパワーをφ１、前記第２面の近軸における主走査方向のパワーをφ２とするとき、
   −４．５＜φ１／φ２＜−０．５
   の条件を満たす、光走査装置。
2. 光線を発する光源と、
   前記光源から発せられる光線を偏向すると共に、前記光線で被走査面上を主走査方向に走査させる偏向体と、
   前記光源から発せられる光線を、収束光として前記偏向体に入射させる入射光学系と、
   前記偏向体と対向する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有し、前記偏向された光線を前記被走査面上に結像させる１枚の走査レンズと、を備え、
   前記第１面又は前記第２面のいずれか一方の面が、回折格子が形成される回折パワー面とされ、前記回折パワー面以外の他方の面が非球面形状を備えるレンズパワー面とされ、
   前記レンズパワー面が前記第２面であるとき、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記光線の進行方向に対して凸面であり、
   前記レンズパワー面が前記第１面であるとき、該レンズパワー面は、近軸における主走査断面形状が前記光線の進行方向に対して凹面であり、
   前記第１面の近軸における主走査方向のパワーをφ１、前記第２面の近軸における主走査方向のパワーをφ２とするとき、
   ０．５＜φ１／φ２＜２．０
   の条件を満たす、光走査装置。
3. 請求項１又は２に記載の光走査装置において、
   前記回折パワー面とされた、前記第１面又は前記第２面のいずれか一方の面の面形状が平面である、光走査装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査装置において、
   前記回折パワー面とされた、前記第１面又は前記第２面のいずれか一方の面の面形状が、主走査方向にパワーを有する面形状である、光走査装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光走査装置において、
   前記偏向体が、回転軸と、該回転軸の軸回りに揺動するミラー部とを備える揺動型偏向体である、光走査装置。
6. 請求項５に記載の光走査装置において、
   前記走査レンズが、アークサイン補正機能を備える、光走査装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査装置において、
   前記入射光学系はコリメータレンズを含み、該コリメータレンズが前記収束光を生成するパワーを有する、光走査装置。
8. 静電潜像を担持する像担持体と、
   前記像担持体の周面を前記被走査面として光線を照射する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光走査装置と、
   を備える画像形成装置。

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