JP2602716B2 - 光ビーム走査用光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザービームプリンタやデジタル複写機
等に用いられる光ビーム走査装置の光学系に関する。

［従来の技術］ 従来、この種の光ビーム走査装置においては、特公昭
62−36210号等に記載されている様に、回転多面鏡を用
いて光ビームを偏向走査するのが一般的である。そし
て、同特光昭に記載されている如く、回転多面鏡が、回
転軸に対して、各反射面の倒れ方向の角度誤差（所謂面
倒れ）を持つと走査される光ビームの走査位置の変位を
もたらし最終的な画像出力に悪影響を与えることに鑑
み、この面倒れによる影響を除去する為に、トーリック
レンズを用いて回転多面鏡と被走査面（被照射体面）と
を光学的な共役関係に置くことも既に提案されている。
また、米国特許第4639072号に記述されている如く、走
査ビームの被走査面近傍にシリンドリカルレンズを配置
することで面倒れの影響を緩和することが提案されてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、トーリックレンズを用いた上記従来例
では、光学性能を維持する上での収差補正の為、トーリ
ックレンズの走査面（走査される光ビームが経時的に形
成する面）における形状が平凸レンズに近いものとな
り、そしてトーリックレンズと回転多面鏡との間に置か
れる球面凹レンズの形状が両凹または平凹に近い形とな
る。従って、大画角ないし大走査角を得る為のコンセン
トリックな形状（各レンズの曲面の曲率半径の中心をほ
ぼ同位置に置いた形状）にすることが難しくなり、走査
角は90度程度が限界となる、よって、装置全体の小型化
にも限界が生じる。

他方、被走査面近傍にシリンドリカルレンズを配置す
る従来例においては、例えば電子写真方式を用いるレー
ザービームやプリンタ等では、現像器、クリーナ等のプ
ロセス的装置が感光体ドラムに密着して配置されている
為に、こうした感光体ドラム近傍にシリンドリカルレン
ズなどの光学素子を配置するのは好ましくない。また、
感光体ドラム近傍にこうしたシリンドリカルレンズを配
置すれば、トナーによる汚れ、熱、オゾン等による悪影
響を受けやすい。更に、こうしたシリンドリカルレンズ
の湾曲方向が、収差補正上、コンセントリックな形状と
するのと逆になりやすい為に、大画角化にとって好まし
くないものとなる。

また、更には、特開昭58−132719号には偏向手段側か
ら順に３つのレンズから成る球面レンズ群とトーリック
レンズを配置した走査用光学系が開示され、特開昭64−
66611号には４つの球面レンズから成る走査用光学系の
全体形状をコンセントリックにしたものが開示されてい
る。しかし、これらの光学系はレンズの数が多く、比較
的形成し易い形状の少ない数のレンズでコンパクトに纏
められ、収差補正上も好ましい形態を有しつつ大画角化
をも可能とする光ビーム走査装置の光学系の実現には至
っていない。

従って、本発明の目的は、上記問題点を解決すべく、
面倒れを補正しつつ、比較的形成し易い形状の少ない数
のレンズでコンパクトに纏められ、収差補正上も好まし
い形態を有しつつ大画角化をも可能とする光ビーム走査
装置の光学系を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を解決するための本発明は、光ビームを偏向
手段により偏向させて被走査面を走査する光ビーム走査
装置における、偏向手段と被走査面との間に配置される
走査用光学系において、 偏向手段側から順に、負のパワーを持ち偏向手段側に
凹面を向けているメニスカス形状の第１球面レンズと、
偏向手段側の面が平面形状を有し正のパワーを持つ第２
球面レンズと、偏向手段側に凹面を向けているメニスカ
ス形状のトーリックレンズが配置され、 トーリックレンズは第２球面レンズと被走査面の中間
位置よりも第２球面レンズ側に配置され、 第２球面レンズの平面形状の面以外の第１及び第２球
面レンズとトーリックレンズの５つの面が、走査面に関
して、偏向手段側に凹面を向けているコンセントリック
に近い形態を有し、 トーリックレンズの走査面における焦点距離をｆ、副
走査面における焦点距離をｆとし、第１及び第２球面レ
ンズの合成焦点距離をｆとしたとき、 −0.1＜f/f₁＜0.1, 0.1＜f₂/f＜0.6 を満たすことを特徴とする。

より具体的には、前記トーリックレンズがプラスチッ
ク材料から形成されてもよい。

［作用］ 上記構成の光学系によれば、面倒れ補正用トーリック
レンズが走査面に関してコンセントリックな形態に近い
形状を有し球面レンズ群に近く配置されているので広い
画角に亙って像面湾曲（走査線湾曲）が小さくなり、更
にパワーが比較的弱いので球面レンズ群のパワーとのバ
ランスが良くなったｆ・θ特性（理想像高が光ビームの
入射角θと光学系の焦点距離ｆとの積で与えられる特性
で、被走査面上でのビームスポットの等速性を保証す
る）と走査線方向すなわちメリジオナル方向の像面湾曲
をバランスさせながら補正できる。

更に、第１球面レンズが偏向手段側に凹面を向けてい
るメニスカス形状であり第３のメニスカス形状のトーリ
ックレンズも偏向手段側に凹面を向けているコンセント
リックな形態であるので大きな画角すなわち走査角に亙
って各レンズ面に光ビームが素直に入射し、収差補正上
好ましくなる。

［実施例］ 第１図と第２図は本発明の実施例を示し、第１図は走
査面における様子を表わし、第２図は走査面と垂直で光
軸を含む副走査面における様子を表わす。

第１図において、１は光源である半導体レーザであ
り、半導体レーザ１から射出された光ビームは、コリメ
ータレンズ２により略平行光とされ開口絞り３によって
光ビームの大きさが整えられて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は副走査面に関し
てパワーを持つが走査面に関してはパワーを持たないの
で、光ビームは走査面に関してはそのまま平行光とし
て、また副走査面についてははぼ結像されて回転多面鏡
５に入射する。回転多面鏡は矢印の方向に等速で高速回
転されており、ここに入射した光ビームはここで反射さ
れて高速度で偏向走査される。

偏向走査された光ビームは、負のパワーを持つ第１球
面レンズ６、正のパワーを持つ第２球面レンズ７そして
トーリックレンズ８を通過して感光ドラム９上に結像さ
れる。

第２図において、Ｐは回転多面鏡５の反射面位置を示
しており、副走査面においては上述した様にほぼこの位
置に光ビームが集光される。ここで、Ｐの反射面と感光
ドラム９上の画像書き込み位置は光学的にほぼ共役な関
係に設定されているので、たとえＰの反射面が副走査面
において倒れても光ビームは感光ドラム９上の同一走査
線上に結像され、いわゆる回転多面鏡５の面倒れ補正系
が構成されている。

ここにおいて、走査面内にて大きな画角に亙って良好
な像面湾曲を得る為に、第１球面凹レンズ６は偏向手段
である多面鏡５側に凹面を向けたメニスカス形状となっ
ている。同様な理由で、トーリックレンズ８も走査面内
にて多面鏡５側に凹面を向けたメニスカス形状となって
いる。

すなわち、第２球面凸レンズ７の多面鏡５側の面を除
いて、他の５面が多面鏡５側に凹面を向け、更にそれら
の曲率半径の中心が互いに近傍にあるコンセントリック
系に近い形態であるので、大きな走査角の光ビームも各
面に素直に（入射角が過度に大きくならずに）入射し収
差補正上好ましい。ここで、第２球面レンズ７の多面鏡
５側の面については、ｆ・θ特性を得る為に負の歪曲を
生じさせる効果を持つような平面に近い形状が好まし
い。

トーリックレンズ８に関しては、コンセントリックな
形態を保ちつつ、感光ドラム９よりは球面レンズ群６、
７に近い位置に配置するのがトーリックレンズを小さく
しかつ像面湾曲を広い画角に亙って小さくする為に好ま
しい。

更に、トーリックレンズ８の走査面に関するパワーを
強く過ぎると、ｆ・θ特性と走査方向すなわちメリジオ
ナル方向の像面湾曲をバランスさせながら補正できなく
なるので、球面レンズ群６、７の焦点距離をｆ、トーリ
ックレンズ８の走査面における焦点距離をf₁とすると
き、−0.1＜f/f₁＜0.1の関係を満たす程度にf₁の焦点距
離を大きくするのがよい。また、トーリックレンズ８の
副走査面における焦点距離f₂は、トーリックレンズ８が
走査面内にてコンセントリックな形態を有し且つサジタ
ル方向（副走査面にあって光軸に直角な方向）の像面湾
曲が補正される様に、0.1＜f₂/f＜0.6の関係を満たす程
度に小さく（すなわちパワーを大きく）するのが良い。

以上の如き構成にすれば、画角すなわち走査角が100
度以上にできる光ビーム走査装置が実現できる。

この実施例における像面湾曲を表わす収差図が第３図
に示され、ｆ・θ特性を表わす図が第４図に示されてい
る。

具体的な設計値例を実施例１として下記に示す。

この設計値例において、第１図と第２図に示す様に、
各面の走査面における曲率半径は多面鏡５側よりR₁〜
R₆、副走査面における曲率半径はR₅′、R₆′、各面間の
距離はD₁〜D₆で示される。また、回転多面鏡５の偏向点
とR₁面までの距離は9mmに設定され、各レンズの屈折率
は多面鏡５側よりN₁、N₂、N₃で表わしている。

≪実施例１≫ 全系の焦点距離 115mm 最大走査角 105゜ 偏向点〜R₁面 9mm R₁＝−30.68 D₁＝11.4 N₁＝1.57129 R₂＝−35.55 D₂＝１ R₃＝∞ D₃＝10 N₂＝1.63552 R₄＝−78.06 D₄＝40 R₅＝−59.69 D₅＝５ N₃＝1.48595 R₅′＝−4.966 R₆＝−60.84 D₆＝88.7 こ_６′＝−5.284 f/f₁＝0.007、 f₂/f＝0.355 次に、第５図には第２実施例を示す。第２実施例で
は、トーリックレンズ18のパワーが球面レンズ群16、17
のパワーに対して、第１実施例より、大きくなってい
る。

この例の具体的な設計値例を実施例２として下記に示
す。符号の約束は実施例１と同じである。

≪実施例２≫ 全系の焦点距離 115m 最大走査角 105゜ 偏向点〜R₁面 9mm R₁＝−27.359 D₁＝11.4 N₁＝1.51072 R₂＝−32.365 D₂＝１ R₃＝∞ D₃＝10 N₂＝1.36552 R₄＝−78.06 D₄＝40 R₅＝−111.05 D₅＝５ N₃＝1.48595 R₅′＝−5.315 R₆＝−107.51 D₆＝89.05 R₆′＝−5.504 f/f₁＝0.024 f₂/f＝0.361 第６図は第３実施例を示す。第３実施例では、トーリ
ックレンズ28が球面レンズ群に一層近づいて配置されて
いるので、小さなトーリックレンズ28としても広走査角
に対応できる。

具体的な設計値例を実施例３として下記に示す。同じ
く、符号の約束は実施例１と同じである。

≪実施例３≫ 全系の焦点距離 115m 最大走査角 105゜ 偏向点〜R₁面 9mm R₁＝−27.359 D₁＝11.4 N₁＝1.51072 R₂＝−32.365 D₂＝１ R₃＝∞ D₃＝10 N₂＝1.63552 R₄＝−78.06 D₄＝５ R₅＝−45.82 D₅＝５ N₃＝1.48592 R₅′＝4.42 R₆＝−46.14 D₆＝127.7 R₆′＝4.31 f/f₁＝0.035 f₂/f＝0.223 ［効果］ 以上の構成を有する本発明によれば、走査用光学系を
２枚の球面レンズと１枚のトーリックレンズの３枚で構
成しつつコンセントリックな形態になっているので走査
角が100度以上とでき、トーリックレンズが球面レンズ
群の近傍に配置されているので光ビーム走査装置全体を
コンパクトにまとめられ、１つにユニット化することも
できる。

また、トーリックレンズの走査面におけるパワーが弱
い構成である為に、環境変動によって屈折率変化が発生
したり成型時の屈折率が大きく変動しがちなプラスチッ
ク材料を用いてトーリックレンズを形成することもでき
る。従って、低価格化にも効果があり、更にプラスチッ
ク化すればトーリック面の非球面化も可能であるので性
能も更に改善することができる。

更には、平面形状面を持つ第２球面レンズ及びパワー
が比較的弱いトーリックレンズは、所望の特性を有しつ
つそれらの形状は比較的簡単で製造し易いので、光学系
全体としてコストの低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の走査面における様子を示
す図、第２図は第１実施例の副走査面における様子を示
す図、第３図は第１実施例の像面湾曲を説明する収差
図、第４図は第１実施例のｆ・θ特性を説明する収差
図、第５図は第２実施例を説明する為の図、第６図は第
３実施例を説明する為の図である。 １……半導体レーザ、２……コリメータレンズ、３……
開口絞り、４……シリンドリカルレンズ、５……回転多
面鏡、６……第１球面レンズ、７……第２球面レンズ、
８……トーリックレンズ、９……感光ドラム

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ビームを偏向手段により偏向させて被走
   査面を走査する光ビーム走査装置における、偏向手段と
   被走査面との間に配置される走査用光学系において、 偏向手段側から順に、負のパワーを持ち偏向手段側に凹
   面を向けているメニスカス形状の第１球面レンズと、偏
   向手段側の面が平面形状を有し正のパワーを持つ第２球
   面レンズと、偏向手段側に凹面を向けているメニスカス
   形状のトーリックレンズが配置され、 トーリックレンズは第２球面レンズと被走査面の中間位
   置よりも第２球面レンズ側に配置され、 第２球面レンズの平面形状の面以外の第１及び第２球面
   レンズとトーリックレンズの５つの面が、走査面に関し
   て、偏向手段側に凹面を向けているコンセントリックに
   近い形態を有し、 トーリックレンズの走査面における焦点距離をf₁、副走
   査面における焦点距離をf₂とし、第１及び第２球面レン
   ズの合成焦点距離をｆとしたとき、 −0.1＜f/f₁＜0.1, 0.1＜f₂/f＜0.6 を満たすことを特徴とする走査用光学系。
2. 【請求項２】前記トーリックレンズがプラスチック材料
   から形成されている請求項１記載の走査用光学系。