JP2584640B2 - レーザービームプリンタ等の走査光学系 - Google Patents

レーザービームプリンタ等の走査光学系

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Description

【発明の詳細な説明】 a.技術分野 本発明は、半導体レーザーを光源に用いたレーザービ
ームプリンタ等の小型で、低コストな走査光学系の改良
に関する。
b.従来技術及びその問題点 レーザービームプリンタ等の走査光学系は、基本的に
は、光ビームを発する光源部と、光ビームを偏向する偏
向器と、偏向された光束を偏向角に応じた位置に集光さ
せる走査レンズ系とから成り、前記光源部には、小型で
直接変調可能な半導体レーザーが用いられることが多
く、半導体レーザーからの光は、発散されるため、通
常、これを平行光束とするコリメートレンズと共に用い
られる。ここで、前記半導体レーザーから発散されるレ
ーザー光の発散角は、半導体レーザーの接合面に平行な
方向（以下、平行方向という）と垂直な方向（以下、垂
直方向という）では異なり、垂直方向の方が発散角が大
きいため、コリメートレンズ通過後の光束径は、垂直方
向の方が平行方向より大きくなり、これによって前記走
査レンズ径によって最終的に走査面に集光される光束の
Ｆナンバーは、垂直方向の方が小さくなり、又、該光束
のＦナンバーに比例するスポット径は、平行方向の方が
大きくなる。
従前にあっては、これを改善するために、エネルギー
効率を犠牲にしても、コリメートレンズの口径を小さく
し、垂直方向の光束をけり、光束径を揃えたり、プリズ
ム等のアナモフィックな光学系を用いてビーム整形を行
なう等の手段をとっていた。
又、回転多面鏡等の偏向器は、いわゆる面倒れと呼ば
れる光が走査される方向（以下、主走査方向という）と
該走査方向に対して垂直な方向（以下、副走査方向とい
う）への誤差を持つため、走査線のピッチむらを生じて
しまう。
これを補正するため、偏向器の手前にアナモフィック
光学系を置いて、走査光学系を副走査方向で切った断面
内で偏向面上にレーザー光を結像させ、又、走査レンズ
系もアナモフィックな構成にしてレーザー光を走査面上
に再結像させ、走査面と偏向面とを共役にし、面倒れの
影響を除去する方法や、アナモフィックな光学系と走査
レンズ系を用い、副走査方向の焦点距離や倍率を小さく
して面倒れの影響を少なくする方法が知られている。
しかしながら、前者では、偏向面に線状にレーザー光
を結像させるため、偏向面の傷やごみに弱く、又、回転
多面鏡の偏向点変化の影響を強く受けてしまい、走査巾
全域に性能を維持するのが難しく、後者では、ビーム整
形のために光学系が複雑になったり、面倒れ補正効果が
不足するため、回転多面鏡に精度が要求され、コストア
ップにつながったりした。
更に、偏向された光束を、走査面上で偏向角に応じた
位置に集光させる走査レンズ系には、一般に、入射角と
像高とが比例するいわゆるｆ・θレンズが用いられる
が、該ｆ・θレンズは、入射角と像高との比例関係（以
下、直線性という）を得るために強い負の歪曲収差を持
ち、入射角と像高との直線性の誤差が非常に小さなもの
でなければならない。
c.目的 本発明は、以上に鑑みてなされたものであり、大きな
面倒れ補正効果，ビーム整形効果を有し、且つ小型で低
コストなレーザービームプリンタ等の走査光学系を提供
せんとするものである。
d.実施例の構成 以下、図面に従って本発明の各実施例を説明する。
第１図は、本発明の第一実施例に係るレーザービーム
プリンタ等の走査光学系の全系であり、第１図ａ）は、
該走査光学系を主走査方向で切った断面（以下、単に主
走査断面という）の図であり、第１図ｂ）は、該走査光
学系を副走査方向で切った断面（以下、単に副走査断面
という）の図である。
かかる走査光学系は、半導体レーザー１と、該半導体
レーザー１から発散されるレーザー光を略平行光束にす
るコリメートレンズ２と、副走査断面内に曲率を持ち同
断面内でレーザー光を一度結像させるシリンダーレンズ
３と、該シリンダーレンズ３により副走査断面内でレー
ザー光を結像させた結像位置F1より後方に配置された偏
向器４と、該偏向器４によって偏向された光束を走査面
６上に集光するアナモフィックな走査レンズ系５とから
成っている。
尚、図中、Hf、Hbは、主走査断面内の前側主点，後側
主点を示し、Ｈ′ｆ、Ｈ′ｂは、副走査断面内の前側主
点，後側主点を示す。
上述の走査光学系において、第２図に示すように、前
記偏向器４としてポリゴンミラーＰを用いる場合は、当
然のことであるが、光軸Ｏを偏向点Ｍで折り返した配置
となり、ポリゴンミラーＰはその内接円P1と外接円P2の
間に光軸上の偏向点が来るように配置される。
また、本発明で用いられる前記走査レンズ系５は、第
３図に示すように、偏向器側より、偏向器側の面には凹
の球面を有し、走査面側の面には副走査断面内に曲率を
持つ凹のシリンダー面を有する負レンズの第１群レンズ
L1と、偏向器側の面には平面を有し、走査面側の面には
副走査断面内に、より強い曲率を持つ凸のトーリック面
を有する第２群レンズL2との２群２枚の構成である。
この走査レンズ系５は、副走査断面内において、主走
査方向より短い焦点距離を持ち、かつシリンダーレンズ
３による結像位置F1を物点とする有限結像であるので、
前記結像位置F1と走査レンズ系５の間にある偏向器４の
面倒れの影響を大きく緩和できる。
また、シリンダーレンズ３により副走査断面内で結像
される結像位置F1を一定に保ちながら、シリンダーレン
ズ３の焦点距離を変えることにより、副走査方向の全系
の焦点距離を変化でき、ビーム整形の割合を変化するこ
とができる。従って半導体レーザーの楕円比やコリメー
ターレンズのNAにより様々に変化する入射ビーム形状に
対しても、最適なビーム整形を施し、希望する形状の結
像スポットを得ることができる。
前記結像位置F1と偏向器４を一致させた場合は、いわ
ゆる共役型となり無限大の補正倍率となるが、ポリゴン
ミラーを用いた場合の偏向点変化や、加工の難しいトー
リックレンズの加工誤差により、像面の共役点がずれ、
面倒れ補正率が大きく変化してしまう。
従って本発明においては、加工誤差による像面の共役
点ずれが影響しないよう、結像位置F1と偏向点をずらし
ている。
このため、偏向面に結像ではなく面積をもって入射す
るため、偏向面のキズやゴミの影響を受けにくいという
利点も有する。
また、走査レンズ系５は、主走査断面内において、第
１群レンズL1は、負のパワーを持つため、正レンズ群で
ある第２群レンズL2で発生する球面収差，コマ収差の補
正を行なうと共に、第２群レンズL2に入射する光束を光
軸から離れた位置で入射させて、強い負の歪曲収差を発
生させｆ・θレンズの入射角と像高との直線性を良好に
するものである。
更に、第２群レンズL2は、平面側で強い負の歪曲収差
を発生させ、ｆ・θレンズの直線性を得ると共に、凸面
側の正のパワーにより光束を走査面６上に結像する働き
を持つ。
一方、副走査断面内においては、走査レンズ系５への
入射光束は、発散光であり、主走査断面より強いパワー
が必要であるが、第２群レンズL2の走査面６側の面が、
トーリック面であり、副走査断面において主走査断面よ
り曲率が強く、大きな正のパワーを得ることができ、
又、この面がトーリック面であり、第１群レンズL1が負
のシリンダー面を有するため、これらの面のパワー配分
により、副走査方向の像面湾曲を良好に補正できる。
加えて、上述のように構成された本発明の走査光学系
にあっては、下記に示す条件を満たせば、更に良好な結
果を得られるものである。即ち、第１の条件は、 副走査断面内の結像位置F1と偏向面までの距離をl,走
査レンズ系５の主走査断面内での焦点距離をｆとしたと
き、 0.015f＜ｌ＜0.15f ……（１） の条件を満たすことであり、 第２の条件は、 副走査断面内において、結像位置F1の像と走査レンズ
系５によって走査面６に結像される像の倍率をｍとした
とき、 2.2＜ｍ＜3.2 ……（２） の上面を満たすことである。
尚、ここで倍率ｍは、結像位置F1から副走査断面内に
おける走査レンズ系５の前側主点Ｈ′ｆまでの距離をａ
とし、走査レンズ系５の後側主点Ｈ′ｂから、走査面６
上の結像位置までの距離をｂとすると、ｍは、 で求まる。
第３の条件は、 走査レンズ系５が、第１群レンズの使用波長での屈折
率をn1、シリンダー面の副走査断面内の曲率半径を
r2′、第２群レンズの屈折率をn2、トーリック面の副走
査断面内の曲率半径をr4′としたとき、 の条件を満たすことであり、 第４の条件は、 走査レンズ系５が、第２群レンズのトーリック面の主
走査断面内での曲率半径をr4、走査レンズ系の主走査断
面内での焦点距離をｆとしたとき、 0.3f＜|r4|＜0.5f の条件を満たすことである。
上記第１の条件は、シリンダーレンズによる結像位置
F1より偏向面までの距離に関する条件であり、ｌが下限
より小さいと、偏向面上での面積が狭くなり、傷やごみ
に弱くなると共に、偏向点変化の影響が大きくなり、全
走査角にわたり、特に良好な性能を保証できなくなる惧
れがある。逆に、ｌが上限より大きくなると、面倒れ補
正効果が小さくなり、ピッチむらを生じてしまう惧れが
出てくる。
上記第２の条件は、副走査断面内において、前記結像
位置F1の像と走査レンズ系５によって走査面６上に結像
される像との倍率に関する条件であり、ｍが、下限より
小さいと、この倍率を達成するために、走査レンズ系５
が走査面側に寄らざるを得ず、レンズ系が大型化してし
まう惧れがあり、又副走査方向の焦点距離が短くなり過
ぎ、ビーム整形の点からも望ましくない。又、ｍが上限
より大きいと、面倒れ補正効果が小さくなり、又走査面
６上で偏向点変化による影響が大きくなる惧れがある。
第３の条件は、第１群レンズの凹のシリンダー面と第
２群レンズの凸のトーリック面の副走査断面内における
バランスに関する条件であり、 が上限より大きいと、凹のシリンダー面の負のパワーが
相対的に強くなり過ぎ、第２群レンズの凸のトーリック
面へ入射する光束がその曲率に比して大きくなり、波面
収差の乱れを生じる。逆に が下限より小さいと、凹のシリンダー面の負の作用が弱
くなるため、周辺で生ずるアンダーの副走査像面湾曲を
良好に補正しきれなくなる。
第４の条件は、第２群レンズのトーリック面の主走査
断面内における曲率に関する条件であり、r4が下限より
小さいと、小型化は達成されるが、周辺で主走査断面内
でのコマ収差の発生が大きくなり、良好なスポットが得
られなくなる。逆にr4が上限より大きいと、全系のパワ
ーを保つために、第２群レンズが主走査面側に寄り、レ
ンズ系が大型化してしまう。
さらに、この走査レンズ系においては、第２群レンズ
であるトーリックレンズが必ずしも高い屈折率である必
要がないため、第２群レンズの屈折率をn2とするとき、 n2＜1.7 とすれば、安価な硝材を使用でき、コストダウンの効果
がある。
以下、本発明の走査光学系の一部を構成する走査レン
ズ系５の好ましい実施例を記載する。各符号は、偏向器
側から第ｉ面の主走査断面の曲率半径をri,副走査断面
の曲率半径をｒ′i,第ｉ番目のレンズ肉厚又は空気間隔
をdi,第ｋ群レンズの使用波長における屈折率をnk,又、
偏向点Ｍと第１面との間隔をe,副走査断面内で結像位置
F1と偏向点Ｍとの間隔をl,走査レンズ系と走査面の間隔
をb,主走査方向の焦点距離をｆとする。
〔実施例１〕 r1＝−105.7 ｒ′１＝−105.7 d1＝24.252 n1＝1.51072 r2＝ ∞ ｒ′２＝ 34.3 d2＝15.348 r3＝ ∞ ｒ′３＝ ∞ d3＝17.243 n2＝1.60910 r4＝− 74.496 ｒ′４＝− 24.9 ｆ＝199.664 fb＝240.4 ｅ＝12.189 ｌ＝0.04f ｍ＝2.94 |r4|＝0.37f 〔実施例２〕 r1＝−163.54 ｒ′１＝−163.54 d1＝18.284 n1＝1.51072 r2＝ ∞ ｒ′２＝ 33.65 d2＝12.641 r3＝ ∞ ｒ′３＝ ∞ d3＝20.199 n2＝1.60910 r4＝− 78.262 ｒ′４＝− 24.0 ｆ＝179.647 fb＝199.2 ｅ＝16.737 ｌ＝0.06f ｍ＝2.41 |r4|＝0.44f 〔実施例３〕 r1＝−159.814 ｒ′１＝−159.814 d1＝20.268 n1＝1.51072 r2＝ ∞ ｒ′２＝ 39.75 d2＝ 9.328 r3＝ ∞ ｒ′３＝ ∞ d3＝17.929 n2＝1.67496 r4＝− 79.303 ｒ′４＝− 24.34 ｆ＝160.638 fb＝175.56 ｅ＝15.86 ｌ＝0.05f ｍ＝2.47 |r4|＝0.49f 〔実施例４〕 r1＝−161.328 ｒ′１＝−161.328 d1＝19.42 n1＝1.59321 r2＝ ∞ ｒ′２＝ 33.43 d2＝12.02 r3＝ ∞ ｒ′３＝ ∞ d3＝21.422 n2＝1.63552 r4＝− 78.312 ｒ′４＝− 23.67 ｆ＝180.132 fb＝202.97 ｅ＝16.825 ｌ＝0.02f ｍ＝2.67 |r4|＝0.44f e.効果 以上説明したように、本発明によれば、第１の条件を
満足するよう構成したことにより、大きな面倒れ補正効
果，ビーム整形効果を有すると共に、偏向面のキズやゴ
ミの影響を受けにくい走査光学系が得られる。
更に、走査レンズ系にあっては、２群２枚構成であ
り、且つ第２〜第４の条件を満足して構成したため、小
型で安価な、しかも性能良好なレーザービームプリンタ
等の走査光学系とすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の走査光学系の全系を示した構成図で
あり、ａ）は主走査断面、ｂ）は副走査断面を示す。 第２図は、偏向器としてポリゴンミラーを用いた場合の
説明図である。 第３図は、走査レンズ系を示す構成図である。 第4,5,6,7図は、走査レンズ系の実施例1,2,3,4の収差図
である。 1:半導体レーザー、2:コリメートレンズ 3:シリンダーレンズ、4:偏向器 5:走査レンズ系、6:走査面 F1:シリンダーレンズによる結像位置 L1:第１群レンズ、L2:第２群レンズ M:偏向点

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体レーザーと、該半導体レーザーから
    発散されるレーザー光を略平行光束にするコリメートレ
    ンズと、副走査断面内に曲率を持ち同断面内でレーザー
    光を一度結像させるシリンダーレンズと、該シリンダー
    レンズにより副走査断面内でレーザー光を結像させた位
    置より後方に配置された偏向器と、該偏向器によって偏
    向された光束を走査面上に集光するアナモフィックな走
    査レンズ系とから成るレーザービームプリンタ等の走査
    光学系において、 前記走査レンズ系は、偏向器側より、偏向器側に凹の球
    面、走査面側に副走査断面内に曲率を持つ凹のシリンダ
    ー面を有する負レンズである第１群レンズと、偏向器側
    に平面、走査面側に副走査断面内により強い曲率を持つ
    凸のトーリック面を有する第２群レンズとの２群２枚で
    構成され、その走査レンズ系の主走査断面内での焦点距
    離をｆ、前記シリンダーレンズによってレーザー光が副
    走査断面内で結像した位置と偏向点までの距離をｌとし
    たとき、 0.015f＜ｌ＜0.15f の条件を満たすことを特徴とするレーザービームプリン
    タ等の走査光学系。
  2. 【請求項２】副走査断面内において、前記シリンダーレ
    ンズによって結像される像と、前記走査レンズ系によっ
    て走査面に結像される像との倍率をｍとしたとき、 2.2＜ｍ＜3.2 の条件を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載のレーザービームプリンタ等の走査光学系。
  3. 【請求項３】走査レンズ系は、第１群レンズの使用波長
    での屈折率をn1、シリンダー面の副走査断面内の曲率半
    径をr2′、第２群レンズの屈折率をn2、トーリック面の
    副走査断面内の曲率半径をr4′としたとき、 の条件を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載のレーザービームプリンタ等の走査光学系。
  4. 【請求項４】走査レンズ系は、第２群レンズのトーリッ
    ク面の主走査断面内での曲率半径をr4、走査レンズ系の
    主走査断面内での焦点距離をｆとしたとき、0.3f＜|r4|
    ＜0.5f の条件を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載のレーザービームプリンタ等の走査光学系。
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