JP2598473B2

JP2598473B2 - 走査光学系

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Publication number: JP2598473B2
Application number: JP63192344A
Authority: JP
Inventors: 勝己山口; 伸夫佐久間
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-08-01
Filing date: 1988-08-01
Publication date: 1997-04-09
Anticipated expiration: 2012-04-09
Also published as: US4955682A; JPH0240610A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は走査光学系に関する。

［従来の技術］光ビームを光偏向装置により偏向させて被走査面を光
走査する光走査装置は、レーザープリンターやデジタル
複写装置、レーザーファクシミリ等に関連して良く知ら
れている。

走査光学系は、このような光走査装置に於いて、光偏
向装置と被走査面との間に配備される光学系であり、一
般に、偏向された光ビームを被走査面上に結像させる機
能（結像機能）と、光偏向装置による光ビームの偏向起
点と被走査面とを、副走査方向に関して略共役関係にす
ることにより、回転多面鏡等の光偏向装置に於ける機械
的誤差による、光ビームの副走査方向への方向変動を補
正し、主走査位置を安定させるための機能（面倒れ補正
機能）が要請される。

この面倒れ補正機能と結像機能とを両立させるため
に、走査光学系は一般にアナモフィックな光学系とな
る。このアナモフィック性を安価に実現する方法とし
て、従来、シリンドリカルレンズやトロイダルレンズ等
の長尺レンズを用いる方法が良く知られているが、広画
角に対応した広偏向角を要する走査光学系の場合には、
副走査方向に於ける像面湾曲の補正が困難である。

上記像面湾曲を良好に補正する方法として、鞍型のレ
ンズ面を持つ変形シリンドリカルレンズを使用する方法
が提案されている（特開昭61−120112号公報）。

［発明が解決しようとする課題］鞍型のレンズ面を持つ変形シリンドリカルレンズを開
示した上記特開昭61−120112号公報は、変形シリンドリ
カルレンズの望ましい形態として、鞍型のレンズ面と被
走査面との光軸上の距離ｄと、走査光学系の主走査面内
における焦点距離f_Mとの比d/f_Mが0.6より小さいことを
挙げ、この条件が満たされないと、即ちd/f_M≧0.6にな
ると「変形シリンドリカルレンズの許容誤差が厳しくな
り好ましくない」ことを明記し、具体的な実施例として
も上記条件を満足するもののみを開示している。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであっ
て、従来好ましくないとされたd/f_M≧0.6の範囲の鞍型
面を利用して、光利用効率が高く、超広角化の可能な新
規な走査光学系の提供を目的としている。

［課題を解決するための手段］以下、本発明を説明する。

本発明の走査光学系は、光ビームを光偏向装置により
偏向させて被走査面を光走査する光走査装置に於いて、
上記光偏向装置と被走査面との間に配備される光学系で
ある。

この走査光学系は、偏向された光ビームを被走査面上
に結像させる結像機能とともに、副走査方向に関して光
ビームの偏向起点と被走査面とを略共役関係にして面倒
れを補正する機能を有する。

本発明の走査光学系は、副走査断面に於ける曲率半径
が光軸から離れるに従い大きくなる鞍型トロイダル面を
凸レンズ面として含む。

この鞍型トロイダル面と被走査面との光軸上の距離を
ｄ、走査光学系の主走査面内における焦点距離をf_Mとす
るとき、d/f_M＞0.6なる条件が満足される。なお、主走
査面とは、偏向された光ビームにより理想的に掃引され
る平面を言う。

［作用］本発明の走査光学系は、上記の如く副走査断面に於け
る曲率半径が光軸から離れるに従い大きくなる鞍型トロ
イダル面を凸レンズ面として有するため、像面湾曲が良
好に補正される。

即ち、従来から知られている長尺のシリンドリカルレ
ンズを用いると、被走査面の周辺に照射されるべき光ビ
ームは長尺シリンドリカルレンズに対し斜めに入射する
ため、長尺シリンドリカルレンズの見かけのパワーは長
尺レンズの両端側へ行くに従って大きくなり、これが副
走査方向に於ける大きな像面湾曲発生の原因となる。鞍
型トロイダル面を凸レンズ面として使用すると、鞍型ト
ロイダル面の曲率半径が光軸を離れるに従い大きくなる
ので、これが上記見かけのパワーの増大を有効に相殺す
るので、像面湾曲が良好に補正されるのである。

また、走査光学系が上記の条件d/f_M＞0.6を満足する
と、光の利用効率が大きくなる。即ち、上記条件の充足
は、鞍型トロイダル面を被走査面から大きく離して設置
することを意味するが、このように鞍型トロイダル面が
被走査面から離れる結果、光ビームの副走査方向のビー
ム径を規制するアパーチュアの、副走査方向の開口径
は、大きくなり得るようになり、これによりアパーチュ
アの開口面積を大きくすることができる。

［実施例］以下、具体的な実施例に即して説明する。

第１図は、本発明の１実施例を示している。

第１図は、光走査装置における光学系配置を光源から
被走査面まで主光線の光路にそって展開した状態を示し
ている。

第１図の上の図は、光走査装置を副走査方向から見た
図であり、この図に於いて被走査面７の上下方向が主走
査方向である。

また、第１図の下の図は主走査方向から見た図であっ
て、この図に於いて図面に直交する方向が主走査方向、
上下方向が副走査方向である。

さて、第１図に於いて、符号１は光源を示す。光源１
としては、LDやLEDが用いられる。光源１から放射され
た光はコリメートレンズ２により略平行な光ビームに変
換され、アパーチュア８によりビームの断面形状を整形
され、シリンドリカルレンズ３に入射する。シリンドリ
カルレンズ３は、図に示すように副走査方向にのみパワ
ーを有しているため、入射した平行光ビームは、光偏向
装置の偏向面４の位置に、長手方向が主走査対応方向で
ある長円状に集束する。

光偏向装置は、この実施例では回転多面鏡である。光
ビームは、偏向面により反射される。この反射ビームは
偏向面の回転とともに偏向する。従って偏向する光ビー
ムの偏向起点は偏向面４による反射位置である。

偏向面４と被走査面７との間に配備される光学系が走
査光学系であり、この実施例ではｆθレンズ５と鞍型ト
ロイダルレンズ６とが走査光学系を構成している。な
お、符号０は光軸を示す。

ｆθレンズ５は、主走査方向に於いて、即ち第１図の
上の図で光ビームを被走査面７上に結像させる。即ち、
副走査方向から見るとｆθレンズ５は物体側の無限遠の
像を被走査面７上に結像させる。この結像に於ける焦点
距離が主走査面内における走査光学系の焦点距離であ
る。

一方、副走査方向に関してはｆθレンズ５と鞍型トロ
イダルレンズ６とが、偏向起点と被走査面７とを略共役
関係にする。したがって、第１図の下の図では、偏向起
点における前述の長円状の像がｆθレンズ５と鞍型トロ
イダルレンズ６の作用にて被走査面７上に結像する。か
くして、被走査面７上には光ビームがスポット状に結像
し、光偏向装置により光ビームを偏向させることによ
り、被走査面７は上記スポットにより走査される。この
走査が主走査である。

次にｆθレンズ５に付いて説明する。この実施例に於
いてｆθレンズ５は２枚構成であり、諸元は以下の様に
与えられる。即ち、偏向面４の側から被走査面７の側へ
向かって、第ｉ番目のレンズ面の曲率半径をr_i（ｉ＝１
〜４）、第ｉ番目の面間隔をd_i（ｉ＝１〜３）、第ｊ番
目のレンズの屈折率をn_j（ｊ＝1,2）とすると、これら
は以下の値を持つ。

なお、偏向面４からｆθレンズ５の第１番目のレンズ
面迄の距離は26.0、ｆθレンズ５の焦点距離は120.0で
ある。また、このｆθレンズ５のｆθ特性は±0.5％以
下である。

さて、第１図に即して説明している実施例に於いて、
本発明の特徴とするところは鞍型トロイダルレンズ６に
より実現されている。

この鞍型トロイダルレンズ６は、鞍型トロイダル面を
凸レンズ面として有するレンズである。鞍型トロイダル
面は、副走査断面、即ち光軸０と副走査方向とに平行な
平面による断面に於ける曲率半径が主走査方向において
光軸から遠ざかるにつれて大きくなるような面である。

第２図は、鞍型トロイダルレンズ６を説明図として示
している。図で上側のレンズ面として示された凸面KTが
鞍型トロイダル面であり、その副走査断面における曲率
半径は、主走査方向（第２図の左右方向）に於いて光軸
を離れるに従って大きくなっている。第２図では鞍型ト
ロイダルレンズ６は、恰も真っすぐな長尺レンズである
かの如くに示されているが、実際には、第１図の上の図
に示されたように主走査方向に曲げられたトロイド形状
である。

鞍型トロイダル面KTの反対側のレンズ面TSは、この実
施例では主走査方向にのみ曲率を有するシリンドリカル
面であるが、それ以外の種々の面形状も許容され得る。

鞍型トロイダル面は、第２図に示すように半径Ｒの円
弧状曲線を回転軸Ｚの回りに回転して得られる面であ
る。円弧状曲線は、回転軸Ｚから円弧状曲線までの距離
を回転軸方向の位置ｈに対して図の如くｒとし、ｒの最
小値を図の如くr₀とすると、ｒは鞍型トロイダル面kTの
位置ｈにおける副走査断面に於ける曲率半径であって、
一般に、で表される。但し、Ｒを半径とする円弧状曲線の曲率中
心が鞍型トロイダル面KTよりも偏向装置側に有るとき
は、ｒ＞0,r₀＞0,R＜０、上記曲率中心が鞍型トロイダ
ル面KTよりも被走査面側に有るときは、ｒ＜0,r₀＜0,R
＞０と符号を定める。このとき|r|≧|r₀|である。

以下、鞍型トロイダルレンズ６に対する具体的な実施
例を３例あげる。

各実施例に於いてＬは、偏向面４と被走査面７との間
隔、d₄は、ｆθレンズ５の第４番目のレンズ面と鞍型ト
ロイダルレンズ６のｆθレンズ側レンズ面との間隔、d₅
は、鞍型トロイダルレンズ６の肉厚、d₆は、鞍型トロイ
ダルレンズ６の被走査面側レンズ面と被走査面７との間
隔、n₅は、鞍型トロイダルレンズ６の屈折率を示す。

また、鞍型トロイダルレンズの鞍型トロイダル面と、
これと対をなすシリンドリカル面のうち、前者即ち鞍型
トロイダル面は、上記（１）式で表されるのでr₀とＲと
で規定される。鞍型トロイダル面と対をなすシリンドリ
カル面については、その主走査方向に於ける曲率半径を
r_kx、副走査方向の曲率半径をr_kyで表す。ここに添字の
ｋは５または６であり、シリンドリカル面がｆθレンズ
５側に有るときｋ＝５、被走査面７側に有るときｋ＝６
である。

実施例１は鞍型トロイダル面を被走査面側に使用した
例であり、実施例２乃至３は鞍型トロイダル面をｆθレ
ンズ側に用いた例である。

また、各実施例とも偏向各105.6度であり超広角であ
る。

実施例１Ｌ d₄ d₅ d₆ n₅ 181.96 43.8 3.0 74.46 1.48519 r_5x＝650,r_5y＝∞,r₀＝−22.8,R＝650 ｄ＝d₆＝74.46,f_M＝119.8,d/f_M＝0.622 回転多面鏡の内接円半径:15mm 有効書込幅:219.4mm 実施例２Ｌ d₄ d₅ d₆ n₅ 181.56 43.8 3.0 75.06 1.48519 r_6x＝−500,r_6y＝∞,r₀＝−23.2,R＝−500 ｄ＝78.06,f_M＝120.2,d/f_M＝0.649 有効書込幅:220.3mm 実施例３Ｌ d₄ d₅ d₆ n₅ 182.56 21.8 3.0 97.06 1.48519 r_6x＝−320,r_6y＝∞,r₀＝−24.5,R＝−320 ｄ＝100.06,f_M＝120.3,d/f_M＝0.832 有効書込幅:220.2mm 実施例１に於いて、光源１と偏向面４との間に、第１
図の如く光源１の側から、コリメートレンズ2,アパーチ
ュア８、シリンドリカルレンズ３を以下の如くに配す
る。

シリンドリカルレンズ３の焦点距離:51.84、シリンド
リカルレンズ３の後側主点と偏向面４との間隔:48.31、
アパーチュア８の開口径：主走査対応方向1.79、副走査
対応方向0.57。

このとき、コリメートレンズ２としては、その焦点距
離をf_c、開口数をNAとするとき、f_c・NA＞0.895のもの
を使用できる。

今、上記f_cを6mmとし、光源としてLDを用い、その水
平ビーム半値全角θ₁₁＝10度、また垂直ビーム半値全角
θ_⊥＝28度とし、発散角の広い方向（θ_⊥）を主走査方
向に使用するとき、透過率反射率を無視して光源からア
パーチュアまでのカップリング効率を計算すると26.8％
となる。

このとき、全像高に渡って、主走査方向に90±10μ
ｍ、副走査方向に100±10μｍのビームスポツト径を被
走査面上に得ることができる。

実施例１の像面湾曲を第３図に示す。この実施例で像
面湾曲は幅4mm程度であり良好である。

実施例２に於いて、光源１と偏向面４との間に、第１
図の如く光源１の側から、コリメートレンズ2,アパーチ
ュア８、シリンドリカルレンズ３を以下の如くに配す
る。

シリンドリカルレンズ３の焦点距離:49.88、シリンド
リカルレンズ３の後側主点と偏向面４との間隔:48.31、
アパーチュア８の開口径：主走査対応方向1.79、副走査
対応方向0.60。

コリメートレンズ２としては、上記実施例１における
と同じものを使用できる。この場合のカップリング効率
は28.0％となる。

実施例２の像面湾曲を第４図に示す。この実施例で像
面湾曲は非常に良好である。

実施例３に於いて、光源１と偏向面４との間に、第１
図の如く光源１の側から、コリメートレンズ2,アパーチ
ュア８、シリンドリカルレンズ３を以下の如くに配す
る。

シリンドリカルレンズ３の焦点距離:49.30、シリンド
リカルレンズ３の後側主点と偏向面４との間隔:48.31、
アパーチュア８の開口径：主走査対応方向1.79、副走査
対応方向0.93。

コリメートレンズ２としては、上記実施例１における
と同じものを使用できる。この場合のカップリング効率
は39.4％となる。

このとき、全像高に渡って、主走査方向に90±10μ
ｍ、副走査方向に100±10μｍのビームスポツト径を被
走査面に得ることができる。

実施例３の像面湾曲を第５図に示す。この実施例で像
面湾曲は非常に良好である。

以下に、比較例を３例挙げる。

比較例１は、第１図の構成で、鞍型トロイダルレンズ
６に代えて長尺シリンドリカルレンズを用いた例であ
る。長尺シリンドリカルレンズのｆθレンズ側のレンズ
面の曲率半径は、主・副走査方向に対しそれぞれ、r_5x,
r_5y、被走査面側レンズ面の曲率半径は、主・副走査方
向に対しそれぞれ、r_6x,r_6yである。

比較例１Ｌ d₄ d₅ d₆ n₅ 182.79 92.8 3.0 26.29 1.48519 r_5x＝∞,r_5y＝12.5,r_6x＝∞,r_6y＝∞ 長尺シリンドリカルレンズの被走査面側レンズ面と被
走査面との間隔をｄ′とし、走査光学系の主走査面内の
焦点距離をf_Mとすると、ｄ′/f_Mは0.219（ｄ′＝26.29,
f_M＝120.0）である。また、偏向装置の回転多面鏡の内
接円半径は15mmである。

コリメートレンズ２、アパーチュア８、シリンドリカ
ルレンズ３の配置は、以下の通りである。

シリンドリカルレンズ３の焦点距離:161.39シリンド
リカルレンズ３の後側主点と偏向面４との間隔:48.31、
アパーチュア８の開口系：主走査対応方向1.79、副走査
対応方向0.37。

コリメートレンズ２としては、その焦点距離をf_c、開
口数をNAとするとき、f_c・NA＞0.895のものを使用でき
る。

この比較例１の像面湾曲は、第６図に示す如く良好で
あり偏向角:105.6度、有効書込幅:220.4mmである。しか
し、アパーチュアの副走査方向の開口径が小さいため、
実施例１〜３と同一の条件でカップリング効率を計算す
ると18.1％と小さくなってしまう。

比較例２比較例２も、第１図の構成で、鞍型トロイダルレンズ
６に代えて長尺シリンドリカルレンズを用いた例であ
る。この例では、長尺シリンドリカルレンズは、実施例
１における鞍型トロイダルレンズと同一の位置に配備さ
れている。

Ｌ d₄ d₅ d₆ n₅ 182.24 43.8 3.0 74.74 1.48519 r_5x＝∞,r_5y＝23.2,r_6x＝∞,r_6y＝∞ 長尺シリンドリカルレンズの被走査面側レンズ面と被
走査面との間隔をｄ′とし、走査光学系の主走査面内の
焦点距離をf_Mとすると、ｄ′/f_Mは0.623（ｄ′＝74.74,
f_M＝120.0）である。

比較例２に関する像面湾曲を第７図に示す。

この図から明らかなように、この比較例２の走査光学
系では副走査方向の像面湾曲が大きくアンダーとなり、
実用に供することは出来ない。

比較例３比較例３は、第１図の構成で、鞍型トロイダルレンズ
６に代えて長尺トロイダルレンズを用いた例である。こ
の例でも、長尺トロイダルレンズは、実施例１における
鞍型トロイダルレンズと同一の位置に配備されている。

Ｌ d₄ d₅ d₆ n₅ 180.89 43.8 3.0 73.39 1.48519 r_5x＝125.0,r_5y＝23.0,r_6x＝125.0,r_6y＝∞ 長尺トロイダレンズの被走査面側レンズ面と被走査面
との間隔をｄ′とし、走査光学系の主走査面内の焦点距
離をf_Mとすると、ｄ′/f_Mは0.618（ｄ′＝73.39,f_M＝11
8.79）である。

比較例３に関する像面湾曲を第８図に示す。

比較例２に比して副走査方向の像面湾曲は若干補正さ
れているものの、矢張り実用に供することは出来ない。

なお、上記比較例に於いてd₄〜d₆の意味する所は、各
実施例の場合と同様である。

なお、各像面湾曲図で実線は副走査方向、破線は主走
査方向のものを示す。

［発明の効果］以下、本発明によれば新規な走査光学系を提供でき
る。この走査光学系は上記の如く構成されているから像
面湾曲を良好に補正できる。また、被走査面から鞍型ト
ロイダル面を離して設置するので、被走査面近傍に長尺
シリンドリカルレンズや長尺トロイダルレンズを配する
場合に比して、約1.5倍以上の光利用効率を得られる。
しかも、偏向角が100度以上にも及ぶ超広角とすること
ができ、走査光学系を小型化できる。また、最終光学素
子から被走査面までの距離を大きく取れるので光学素子
の組込みも容易である。鞍型トロイダルレンズは樹脂材
料を用いて容易に製造できるし、機械的な切削加工でも
容易に製造できる。

さらに、偏向面の近傍にビームウエストが来るように
設計できるため、アパーチュア径の変化により、被走査
面近傍のビームウエスト位置を然程変えずに被走査面上
のビームスポット径を調整できる。さらにシリンドリカ
ルレンズ３を偏向面から遠ざけて、同シリンドリカルレ
ンズの焦点距離を増大させて光利用効率をより向上させ
ることもできる。また鞍型トロイダル面は、実施例では
円弧を回転させた形状としたが、円弧以外の曲線を回転
させた形状とすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の走査光学系の構成の１例を示す図、
第２図は、鞍型トロイダルレンズを説明するための図、
第３図乃至第８図は像面湾曲を示す図であり、第３図乃
至第５図は実施例対応の像面湾曲図、第６図乃至第８図
は比較例対応の像面湾曲図である。１……光源、２……コリメートレンズ、３……シリンド
リカルレンズ、４……偏向面、５……ｆθレンズ、６…
…鞍型トロイダルレンズ、７……被走査面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光ビームを光偏向装置により偏向させて被
走査面を光走査する光走査装置に於いて、上記光偏向装
置と被走査面との間に配備される走査光学系であって、偏向された光ビームを被走査面上に結像させるととも
に、副走査方向に関して光ビームの偏向起点と被走査面
とを略共役関係にする機能を有し、副走査断面に於ける曲率半径が光軸から離れるに従い大
きくなる鞍型トロイダル面を凸レンズ面として含み、走査光学系の主走査面内における焦点距離をf_Mとし、上
記鞍型トロイダル面と被走査面との光軸上の距離をｄと
するとき、 d/f_M＞0.6 なる条件を満足することを特徴とする、走査光学系。