JP2018185500A - 複合光学素子及びそれを有する走査光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】サグ量に拘わらず、高い精度の非球面形状を備えた複合光学素子を提供すること。【解決手段】ベースとなるガラスの表面に樹脂層を有する複合光学素子において、樹脂層は、有効径範囲に対応する第１領域と、前記第１領域の外側に位置する第２領域とを有し、第１領域の表面は、少なくとも一部に非球面形状の凹面を含み、第２領域の表面は、第１領域の表面と連続すると共に、変曲点を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ベースとなるガラスの表面に樹脂層を有する複合光学素子と、該複合光学素子を有する走査光学系に関する。

従来、レーザビームプリンタ、レーザスキャナ、バーコードリーダ等においては、レーザ光を所定の結像面に走査させる走査光学系が用いられている。図５は、従来の走査光学系の一例を示す図であり、走査光学系は、半導体レーザ１、コリメータレンズ３、ポリゴンミラー等の光偏向器５、ｆθレンズ系７等から構成され、半導体レーザ１から出射したレーザ光束Ｌは、コリメータレンズ３を透過して光偏向器５に照射され、光偏向器５の回転によって走査され、走査されたレーザ光束Ｌは、ｆθレンズ系７を介して、被走査面９（例えば感光体）に結像されるようになっている。

このような走査光学系で高精細化を図るには、被走査面上でのビーム径を小さくするために、ｆθレンズ系７で収差を抑制する必要があり、副走査断面及び主走査断面が非球面であることが望ましい。このようなｆθレンズ系７としては、非球面形状を形成しやすいことから、例えば、ガラス表面に樹脂層を形成したハイブリッドレンズ（複合光学素子）が用いられている（例えば、特許文献１）。

このようなハイブリッドレンズは、ベースとなるガラスレンズの表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、所定の形状に加工された金型を紫外線硬化樹脂に密着させて配置し、この状態でガラスの裏面側から所定の強度の紫外光を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させ、金型を離型することによって得られる（例えば、特許文献２、３）。

特開平９−４９９６７号公報 特開２００２−１３１５１２号公報 特開２００６−２３２６２６号公報

特許文献２、３に記載の方法によれば、ガラスレンズの表面に任意の非球面形状を形成することができ、所望のハイブリッドレンズを得ることができる。しかしながら、特許文献２、３に記載の方法によって得られるハイブリッドレンズは、ガラスレンズの表面に紫外線硬化樹脂を硬化させるため、紫外線硬化樹脂の硬化収縮の影響によって、必ずしも樹脂層の表面が金型の成形面の形状とはならず、いわゆるヒケ（Sink Marks）が発生する場合がある。このように、樹脂層の表面にヒケが発生すると、ハイブリッドレンズの光学性能は著しく劣化してしまうため、ハイブリッドレンズの歩留まりが悪くなる。

また、一般に、このようなヒケは、材料の量に比例し、樹脂層の厚みが厚いほど生じ易いため、サグ量が大きい表面形状を得ようとする場合に、その影響が顕著となる。また、樹脂層の表面にサグ量が大きい凹面の非球面形状を形成する場合、金型の成形面はそれに対応した凸面となるが、レンズの中心から離れるに従って、ベースとなるガラスレンズと成形面との距離が大きくなるため、レンズの周辺部分において紫外線硬化樹脂と成形面との密着性が悪くなり、成形性、転写性が悪くなるといった問題も発生する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、サグ量に拘わらず、高い精度の非球面形状を備えた複合光学素子を提供すること、また、該複合光学素子を有する走査光学系を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の複合光学素子は、ベースとなるガラスの表面に樹脂層を有する複合光学素子であって、樹脂層は、有効径範囲に対応する第１領域と、第１領域の外側に位置する第２領域とを有し、第１領域の表面は、少なくとも一部に非球面形状の凹面を含み、第２領域の表面は、第１領域の表面と連続すると共に、変曲点を含むことを特徴とする。

このような構成によれば、樹脂層の第２領域の表面に変曲点が形成されるため、サグ量が小さくなり、ヒケの発生が抑制される。このため、樹脂層の表面には、高い精度の非球面形状が形成される。

また、第２領域の表面は、凹面と連続する、非球面形状の凸面を含み、第２領域の外縁よりも内側の位置において、サグ量が最大となることが望ましい。

また、樹脂層は、有効径範囲が縦横で異なる矩形状に形成され、凹面及び凸面が、樹脂層の短辺方向に形成されていることが望ましい。

また、凹面と凸面が、単一の二次元多項式非球面として形成されていることが望ましい。

また、凹面が、樹脂層の短辺方向において、二次元多項式非球面の２次関数成分を含み、樹脂層の長辺方向において、二次元多項式非球面の奇数次の関数成分を含むことが望ましい。

また、凸面が、二次元多項式非球面の２次よりも高い高次成分を含むことが望ましい。

また、第１領域の表面の形状が、樹脂層の長辺方向において非対称であることが望ましい。

また、樹脂層のサグ量が、１０μｍ以下であることが望ましい。

また、別の観点からは、本発明の走査光学系は、上記いずれかの複合光学素子を有する走査光学系であって、主走査方向に偏向される光束が複合光学素子を通り、所定の結像面上を走査するように構成されていることを特徴とする。また、この場合、複合光学素子が、結像面における走査湾曲を補正するように構成されていることが望ましい。

以上のように、本発明によれば、サグ量に拘わらず、高い精度の非球面形状を備えた複合光学素子が実現される。また、この複合光学素子を有する走査光学系が実現される。

図１は、本発明の実施形態に係るハイブリッドレンズの構成を説明する図である。 図２は、本発明の実施形態に係るハイブリッドレンズの製造方法を説明する図である。 図３は、実施例１に係るハイブリッドレンズの第１面の形状を示すグラフである。 図４は、比較例１に係るハイブリッドレンズの第１面の形状を示すグラフである。 図５は、従来の走査光学系の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

（ハイブリッドレンズ１００の構成及びその製造方法）
図１は、本発明の実施形態に係るハイブリッドレンズ１００の構成を説明する図である。本実施形態のハイブリッドレンズ１００は、レーザビームプリンタ等において、レーザ光を走査させる走査光学系のｆθレンズ系に組み込まれる部材であり、主に走査ビームの走査湾曲を補正するように機能する長尺レンズである。図１に示すように、ハイブリッドレンズ１００は、平板状のガラス１０２と、ガラス１０２の表面に形成された樹脂層１０４とによって構成されており、樹脂層１０４側が入射面（第１面）、ガラス１０２の裏面側が出射面（第２面）となるように配置される。なお、本実施形態においては、ハイブリッドレンズ１００の長手方向（つまり、走査光学系の主走査方向）をＸ軸方向とし、短手方向（つまり、走査光学系の副走査方向）をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向（つまり、ハイブリッドレンズ１００の厚さ方向）をＺ軸方向として以下説明する。

ガラス１０２は、Ｘ軸方向に細長い矩形平板状（９６ｍｍ（Ｘ軸方向）×１６ｍｍ（Ｙ軸方向）×５ｍｍ（Ｚ軸方向））のガラス製（例えば、石英、青板ガラス、光学ガラス）の部材であり、走査されるレーザ光の波長域（例えば、７８０ｎｍ）の透過率特性として、９０％以上となるものが好ましい。また、ガラス１０２は、紫外線帯域（例えば、３６５ｎｍ）の透過率特性として、８０％以上となるものが好ましい。

樹脂層１０４は、紫外線硬化性の樹脂組成物からなる、厚さ約２０μｍの薄膜である。樹脂層１０４は、金型成形によってガラス１０２の表面に形成され、樹脂層１０４によって非球面レンズが構成されている。図１に示すように、樹脂層１０４は、有効径範囲（レーザ光が通過する範囲）に対応する第１領域１０４ａと、第１領域１０４ａの外側に位置する第２領域１０４ｂとを有している。なお、本実施形態においては、樹脂層１０４の中心部に位置する８０ｍｍ（Ｘ軸方向）×１２ｍｍ（Ｙ軸方向）の領域が第１領域１０４ａに設定されている。また、第１領域１０４ａの表面は、Ｘ軸方向に沿って凸面、Ｙ軸方向に沿って凹面の非球面形状となっており、第２領域１０４ｂの表面は、第１領域１０４ａと連続し、Ｙ軸方向に沿って凸面の非球面形状となっている。なお、ハイブリッドレンズ１００の樹脂層１０４には、ラジカル重合性モノマーとシランカップリング剤を所定の割合で混合した、一般的な樹脂組成物を用いることができる。また、樹脂層１０４には、ガラス１０２と樹脂層１０４との境界面で入射したレーザ光が反射及び屈折しないように、ガラス１０２と略同一の屈折率を有するものが望ましい。

図２は、ハイブリッドレンズ１００の製造方法を説明する図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態の製造方法においては、まずガラス１０２の表面（図２（ａ）において下向きの面）上に、紫外線硬化樹脂Ｒを塗布する。そして、樹脂層１０４の表面形状に対応する成形面Ｆが形成された金型Ｍを、ガラス１０２の表面の紫外線硬化樹脂Ｒに密着させて配置し、不図示の付勢手段によって、ガラス１０２を金型Ｍに向かって付勢する（図２（ｂ））。次いで、この状態でガラス１０２の裏面側（図２（ａ）において上向きの面）から所定の強度の紫外光ＵＶを照射して紫外線硬化樹脂Ｒを硬化させる（図２（ｃ））。そして、紫外線硬化樹脂Ｒの硬化後（つまり、樹脂層１０４の形成後）、樹脂層１０４の表面から金型Ｍを離型してハイブリッドレンズ１００が得られる（図２（ｄ））。

このように、本実施形態のハイブリッドレンズ１００は、ガラス１０２の表面に樹脂層１０４を成形して得られる。このため、ハイブリッドレンズ１００の歩留まりは、樹脂層１０４の成形性、転写性に依存するところ、紫外線硬化樹脂Ｒの硬化収縮の影響によって、樹脂層１０４の表面が金型Ｍの成形面Ｆの形状とはならず、いわゆるヒケ（Sink Marks）が発生する場合がある。このようなヒケは、一般に、材料の量に比例するため、樹脂層１０４の厚みが厚いほど生じ易い。従って、本実施形態の樹脂層１０４のように、第１領域１０４ａの表面がＹ軸方向に沿って凹面の非球面形状となっているような場合、Ｙ軸方向の両端部が中心部よりも厚くなるため、この部分でヒケが発生し易いという問題がある。そこで、本実施形態においては、第１領域１０４ａの外側の第２領域１０４ｂの表面に、凸面の非球面形状を形成することで、かかる問題を解決している（つまり、ヒケの発生を抑制している）。

以下、本実施形態のハイブリッドレンズ１００の第１面（樹脂層１０４側の面）の具体的な形状について、実施例（実施例１）及び比較例（比較例１）を挙げて説明する。

実施例１のハイブリッドレンズ１００の第１面は、二次元多項式非球面（つまり、主走査方向（Ｘ軸方向）、副走査方向（Ｙ軸方向）それぞれの高さに関する多項式で表現される非球面）である。従って、その形状は、主走査方向及び副走査方向の光軸からの高さがそれぞれ（ｘ）、（ｙ）の点における光軸での接平面からのサグ量Ｚ（ｘ，ｙ）として、下記式（１）により表される。

Z(x,y)=1/R・(x²+y²)/[1+√{1-(κ+1)・(x²+y²)/R²}]
+ΣBmn・x^myⁿ ・・・・・・(１)
式（１）において、Ｒは、回転対称球面成分の曲率半径であり、実施例１においては、無限である。また、κは円錐係数、Ｂｍｎは主走査方向における次数がｍ次であって副走査方向における次数がｎ次である非球面係数である。実施例１においてハイブリッドレンズ１００の第１面の具体的形状を特定するために、式(１)に適用される各係数を表１に示す。

表１に示すように、実施例１の非球面係数は、主走査方向における次数が１次、２次、３次及び４次の関数成分を含み、副走査方向における次数が０次、２次、６次、８次及び１０次の関数成分を含んでいる。つまり、主走査方向については、奇数次の関数成分を含むが、副走査方向については、奇数次の関数成分を含まず、偶数次の関数成分のみからなっている。

図３は、表１の非球面係数を用いたときの、ハイブリッドレンズ１００の第１面（樹脂層１０４側の面）の形状を示すシミュレーション結果である。図３（ａ）は、Ｘ軸方向（長手方向）の形状を示すグラフであり、横軸は、ハイブリッドレンズ１００の長手方向の中心位置を０ｍｍとしたときのＸ軸方向の位置を示し、縦軸は、ハイブリッドレンズ１００の長手方向及び短手方向の中心位置における樹脂層１０４表面の位置を０ｍｍとしたときのＺ軸方向の位置を示している。なお、図３（ａ）においては、説明の便宜のため、Ｙ＝０ｍｍ（つまり、短手方向の中心位置）、４．０ｍｍ、５．５ｍｍ、６．０ｍｍ、６．５ｍｍ、７．０ｍｍ、７．５ｍｍ、８．０ｍｍの位置におけるカーブのみを示している。また、図３（ｂ）は、Ｙ軸方向（短手方向）の形状を示すグラフであり、横軸は、ハイブリッドレンズ１００の短手方向の中心位置を０ｍｍとしたときのＹ軸方向の位置を示し、縦軸は、ハイブリッドレンズ１００の長手方向及び短手方向の中心位置における樹脂層１０４表面の位置を０ｍｍとしたときのＺ軸方向の位置を示している。なお、図３（ｂ）においては、説明の便宜のため、Ｘ＝０ｍｍ（つまり、長手方向の中心位置）、±１６ｍｍ、±３２ｍｍ、±４８ｍｍの位置におけるカーブのみを示している。なお、実施例１のハイブリッドレンズ１００においては、±４０ｍｍ（Ｘ軸方向）×±６．０ｍｍ（Ｙ軸方向）の領域が有効径範囲（つまり、第１領域１０４ａ（図１））に設定されている。

比較例１

比較例１のハイブリッドレンズは、実施例１のハイブリッドレンズ１００と同様の構成を有し、表２に示す非球面係数を有するものである。

表２に示すように、比較例１の非球面係数は、実施例１のハイブリッドレンズ１００の非球面係数と同一であるものの、副走査方向における次数が０次と２次であり、高次の非球面係数を含んでいない点で、実施例１のハイブリッドレンズ１００の非球面係数と異なっている。

図４は、表１の非球面係数を用いたときの、比較例１のハイブリッドレンズの第１面の形状を示すシミュレーション結果である。図４（ａ）は、図３（ａ）と同様、Ｘ軸方向（長手方向）の形状を示すグラフである。また、図４（ｂ）は、図３（ｂ）と同様、Ｙ軸方向（短手方向）の形状を示すグラフである。

（実施例１と比較例１との対比）
図３（ａ）と図４（ａ）とを比較すると、実施例１のハイブリッドレンズ１００の第１面（つまり、樹脂層１０４の表面）も、比較例１のハイブリッドレンズの第１面も、共に、Ｙ軸方向から見たときに、有効径範囲（つまり、±４０ｍｍ（Ｘ軸方向）の領域）においてＺ軸方向のマイナス側に突出する凸面の非球面形状となっているのが分かる。また、実施例１のハイブリッドレンズ１００の第１面及び比較例１のハイブリッドレンズの第１面のＸ軸方向の形状は、Ｙ軸方向の位置によって異なり、また、Ｘ＝−４０〜０ｍｍの範囲の形状と、Ｘ＝０〜＋４０ｍｍの範囲の形状とが異なるものとなっている（つまり、左右非対称な形状を呈している）。

図３（ｂ）と図４（ｂ）とを比較すると、実施例１のハイブリッドレンズ１００の第１面は、Ｘ軸方向から見たときに、有効径範囲（つまり、±４０ｍｍ（Ｘ軸方向）×±６．０ｍｍ（Ｙ軸方向）の領域）においてＺ軸方向のプラス側に凹む、凹面の非球面形状となっている。そして、Ｙ軸方向の有効径範囲の外側（つまり、−８．０ｍｍ〜−６．０ｍｍ、６．０ｍｍ〜８．０ｍｍの領域（つまり、第２領域１０４ｂ））において、Ｚ軸方向のマイナス側に突出する凸面の非球面形状となっている。つまり、実施例１のハイブリッドレンズ１００の第１面は、Ｙ軸方向に形成された凹面と凸面とを有しており、凹面と凸面が切り替わる点（いわゆる、変曲点）が形成されている。そして、Ｙ軸方向の有効径範囲の外側であって、第２領域１０４ｂの外縁よりも内側の位置（本実施形態においては、Ｙ＝±７．０ｍｍの位置）において、サグ量Ｚが最大（約１０μｍ）となっている。

一方、比較例１のハイブリッドレンズの第１面は、Ｘ軸方向から見たときに、有効径範囲から有効径範囲の外側の領域（つまり、±８．０ｍｍ（Ｙ軸方向）の領域）に亘って、Ｚ軸方向のプラス側に凹む、凹面の非球面形状となっている。そして、Ｙ軸方向のサグ量Ｚの絶対値は、Ｙ軸方向の端部（つまり、Ｙ＝±８．０ｍｍの位置）において最大（約１５μｍ）となり、Ｙ軸方向の端部が角状に尖った形状となっている。

比較例１のように、サグ量Ｚが大きくなると、いわゆるヒケが発生しやすくなる。そして、ヒケが発生すると、その影響は有効径範囲の外側の領域に留まらず、有効径範囲にまで及ぶことが懸念される。また、比較例１のように、Ｙ軸方向の端部が角状に尖った形状となっていると、この部分が成形後に欠け易いといった問題がある。つまり、比較例１のハイブリッドレンズは、実施例１のハイブリッドレンズ１００に比較して歩留まりの悪いものとなる。

このように、実施例１のハイブリッドレンズ１００は、Ｙ軸方向の有効径範囲の外側（つまり、−８．０ｍｍ〜−６．０ｍｍ、６．０ｍｍ〜８．０ｍｍの領域（つまり、第２領域１０４ｂ））において、２次よりも高い高次の非球面係数が作用して、Ｚ軸方向のマイナス側に突出する凸面の非球面形状となる。このため、比較例１よりもサグ量Ｚが小さく抑えられて、ヒケの発生が抑制され、高い精度の非球面形状を形成することができる（つまり、高い歩留まりが維持される）。また、実施例１のハイブリッドレンズ１００においては、第２領域１０４ｂに、レンズ位置に応じて特異な局所曲率を有する変曲点ができるため、かかる変曲点をアライメントマークとして、例えば、三次元測定時の位置合わせに用いることもできる。また、実施例１のハイブリッドレンズ１００の製造工程においては、樹脂層１０４の表面形状に対応する成形面Ｆが形成された金型Ｍを用いるが、成形面Ｆは、Ｙ軸方向の有効径範囲の外側において、凸面の非球面形状に対応する凹部を有するため、紫外線硬化樹脂Ｒが第１領域１０４ａ及び第２領域１０４ｂの範囲内に留まりやすくなっている。つまり、ハイブリッドレンズ１００の有効径範囲の外側に凸面の非球面形状を形成することによって、紫外線硬化樹脂Ｒと成形面Ｆとの密着性を高め、これによって成形性、転写性を高めている。

以上が本発明の実施形態の説明であるが、本発明は、上記の実施形態の構成に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な変形が可能である。

例えば、本実施形態のハイブリッドレンズ１００においては、Ｙ軸方向の有効径範囲の外側の領域（つまり、第２領域１０４ｂ）において、Ｚ軸方向のマイナス側に突出する凸面の非球面形状を形成するものとしたが、サグ量Ｚを小さく抑えることができればよく（つまり、変曲点を設ければよく）、必ずしも非球面形状に限定されるものではない。しかしながら、実施例１に示したように、第１領域１０４ａ及び第２領域１０４ｂに亘って、単一の非球面として表せる形状とすると、レンズ設計が容易となる点で好ましい。

また、本実施形態のハイブリッドレンズ１００は、走査光学系のｆθレンズに組み込まれて、主に走査ビームの湾曲を補正する長尺レンズであるとしたが、本発明は、他の用途、機能を有する長尺レンズにも適用することができる。

また、本実施形態のハイブリッドレンズ１００は、矩形板状の長尺レンズであるとして説明したが、本発明は、円形レンズ等、他の形状のレンズにも適用することができる。

また、本実施形態のハイブリッドレンズ１００の第１面のＸ軸方向の形状は、左右非対称であるとして説明したが、左右対称であってもよい。

また、本実施形態のハイブリッドレンズ１００の第１面は、Ｘ軸方向から見たときに、有効径範囲（つまり、±４０ｍｍ（Ｘ軸方向）×±６．０ｍｍ（Ｙ軸方向）の領域）においてＺ軸方向のプラス側に凹む、凹面の非球面形状となっているとしたが、必ずしも有効径範囲の全域において凹面となっている必要はなく、有効径範囲の一部が凹面となっていればよい。

また、本実施形態においては、ガラス１０２は、平板状であるとしたが、本発明は、ガラス１０２の表面（つまり、樹脂層１０４側の面）にベースカーブが形成されているものに適用することもできる。その場合、樹脂厚さと対応させるべく、ベースカーブに対する相対形状をサグ量として扱う。

なお、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 半導体レーザ
３ コリメータレンズ
５ 偏光器
７ ｆθレンズ系
９ 被走査面
１００ ハイブリッドレンズ
１０２ ガラス
１０４ 樹脂層
１０４ａ 第１領域
１０４ｂ 第２領域

Claims (10)

1. ベースとなるガラスの表面に樹脂層を有する複合光学素子であって、
   前記樹脂層は、有効径範囲に対応する第１領域と、前記第１領域の外側に位置する第２領域とを有し、
   前記第１領域の表面は、少なくとも一部に非球面形状の凹面を含み、
   前記第２領域の表面は、前記第１領域の表面と連続すると共に、変曲点を含む
   ことを特徴とする複合光学素子。
2. 前記第２領域の表面は、前記凹面と連続する、非球面形状の凸面を含み、前記第２領域の外縁よりも内側の位置において、サグ量が最大となることを特徴とする請求項１に記載の複合光学素子。
3. 前記樹脂層は、前記有効径範囲が縦横で異なる矩形状に形成され、
   前記凹面及び前記凸面が、前記樹脂層の短辺方向に形成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の複合光学素子。
4. 前記凹面と前記凸面が、単一の二次元多項式非球面として形成されていることを特徴とする請求項３に記載の複合光学素子。
5. 前記凹面が、前記樹脂層の短辺方向において、前記二次元多項式非球面の２次関数成分を含み、前記樹脂層の長辺方向において、前記二次元多項式非球面の奇数次の関数成分を含むことを特徴とする請求項４に記載の複合光学素子。
6. 前記凸面が、前記二次元多項式非球面の２次よりも高い高次成分を含むことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の複合光学素子。
7. 前記第１領域の表面の形状が、前記樹脂層の長辺方向において非対称であることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の複合光学素子。
8. 前記樹脂層のサグ量が、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の複合光学素子。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の複合光学素子を有する走査光学系であって、
   主走査方向に偏向される光束が前記複合光学素子を通り、所定の結像面上を走査するように構成されている
   ことを特徴とする走査光学系。
10. 前記複合光学素子が、前記結像面における走査湾曲を補正することを特徴とする請求項９に記載の走査光学系。

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