JP2671890B2 - Optical scanning device - Google Patents

Optical scanning device

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JP2671890B2
JP2671890B2 JP8132946A JP13294696A JP2671890B2 JP 2671890 B2 JP2671890 B2 JP 2671890B2 JP 8132946 A JP8132946 A JP 8132946A JP 13294696 A JP13294696 A JP 13294696A JP 2671890 B2 JP2671890 B2 JP 2671890B2
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明はレーザービームプリ
ンタ等に用いられる光走査装置に関する。さらに詳しく
は走査レンズ系に関する。 【0002】 【従来の技術】レーザービーム等を高速に偏向走査して
画像情報を記録するレーザービームプリンタは、高速、
高解像度、低騒音という優れた特徴を有しており、小型
化低価格化が進むにつれ急速にその需要を増やしてきて
いる。そこで、その重要な構成要素である光書き込みヘ
ッドとして、光走査装置に対しても小型化低価格化の要
求は大きい。光走査装置は大きくわけて光源と偏向器と
走査レンズ系とから成るが、中でも走査レンズ系の単純
化は小型化低価格化に有効である。 【0003】走査レンズ系は偏向器の回動特性にあわせ
て走査面上で光スポットが等速で移動するような歪み、
例えば偏向器が回転多面鏡であって光ビームが等角速度
偏向されている時は偏向角θと像高Yが比例するような
歪みを有し、かつ走査平面上のいたる所で光スポットを
所望の径に均一に結像する機能を有さなければならな
い。さらに回転多面鏡偏向器の場合には多面鏡の各面の
傾きのばらつき(面倒れ誤差)を補償するための面倒れ
補正機能も必要となる。これらの機能を兼ね備えた解像
力の高い高性能な走査用レンズは従来必然的に大型・複
雑で高価なものにならざるを得なかった。 【0004】そこで特開昭54−98627、特開昭5
5−7727、特開昭58−5706等に開示されてい
るように走査用レンズの単玉化が試みられている。とこ
ろが、特開昭54−98627では正弦振動特性を有す
る偏向器に対してはその回動特性を利用して形状等のパ
ラメータの種々の値について幅広く良好に収差補正が可
能であるが、高速性等の点から現在も広く使用されてい
る回転多面鏡偏向器の等角速度回動特性に対してはそれ
に対応するために非球面化しているものの特殊な場合と
してきわめて限られた条件でしか使用できず、光学系の
寸法、光源、必要とするドット径等の種々の要求に柔軟
に対応することができない。 【0005】また、特開昭55−7727では平凸レン
ズでfθレンズを構成しているが、像面湾曲等の点で良
好な結像性能を有しているとはいい難い。また、特開昭
58−5706では正のパワーを有するメニスカスレン
ズでfθレンズを構成しているが、球欠像面湾曲の点で
問題があり、これを解消するために面倒れ補正光学系を
兼ねる円筒レンズを付加しなくてはならない。さらに、
上記3例はすべて面倒れ補正機能を付与するためには新
たにレンズを付加しなければならず、結局単玉レンズで
はなくなってしまう。また光軸長を長くとって偏向角を
狭めることによって収差を許容範囲内に収めることは可
能であるが、光学系全体が大型するため好ましくない。 【0006】ところで、小型化低価格化を考えるうえで
レンズの材質も重要な問題である。従来走査用レンズの
材質にはガラスが用いられるているが回折限界の性能を
要求される光学系であって要求精度が高いため、研磨等
の製造コストが高くつく。そこでポリメチルメタクリレ
ート(PMMA)、ポリカーボネート、ポリスチレン等
のプラスチックをレンズ媒質に用いれば、射出成形によ
る大量生産が可能となるため極めて安価に製造できる。
ことろが光学プラスチック材料は種類が少なくしかもガ
ラスに比べ高屈折率のものがない。従ってレンズ枚数の
削減や光学系の小型化がガラスに比べより困難である。 【0007】これらの点を総合して、材質の屈折率によ
らず単玉でしかも光軸長が短くても収差を良好に補正で
きるような、自由度の大きなレンズ形状が望まれること
がわかる。 【0008】 【発明の解決しようとする課題】本発明は上述のような
問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、小型で低
価格、しかも高性能な光走査装置とくに走査用レンズを
提供することである。 【0009】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光走査装置は、細い光束を出射する光源と、該光束
を所定の方向に偏向走査する偏向器と、該偏向器で偏向
された光束を被走査平面上に結像させる走査用レンズと
を備え、前記走査用レンズはプラスチック材料からなる
単玉レンズで構成され、前記偏向器の固有の回動特性で
偏向された光束が被走査平面上では等速で移動する歪み
特性を有し、かつ、被走査平面上の任意の位置における
光束の子午方向の像面湾曲収差を補正するように、子午
平面内の両面の形状が、両面の非円弧量が走査位置と結
像点の2自由度を拘束するように独立に定められた形の
非円弧状に形成され、さらに、球欠方向の像面湾曲収差
を補正するように、前記両面の少なくとも何れか一方の
子午平面内での非円弧曲線に沿った位置の球欠方向の曲
率が子午方向の曲率とは相関なく変化するように定めら
れてなることを特徴とするものである。 【0010】 【発明の実施の形態】本発明の原理を図1、図2、図
3、図4を用いて以下に説明する。走査用レンズは、前
述したように偏向器によって等角速度あるいは正弦振動
等の回動特性で偏向されている光束を被走査平面上に像
面湾曲なく結像しまた被走査平面上で像点が等速で走査
されるような歪みを与える機能を有する。例えば偏向器
が回転多面鏡であれば、図1に示されるように光源から
出射した光束は鏡面SM によって多面鏡5の回転に応じ
た偏向角θで反射されている。走査用レンズ1はこの光
束を被走査平面上で座標値Yが偏向角θと比例した点T
I に結像するよう設定される。本発明の走査用レンズは
以下に述べる原理に基づいて図1に示すS1 、S2 の両
面において非球面の特長が高度に利用された、収差が少
なくしかも広角偏向が可能な単玉レンズである。 【0011】本発明に係るレンズ面形状の第1の構成原
理は、走査される光束が非常に細いと仮定して、光束を
主光線の位置と方向と結像距離のパラメータのみで表
し、レンズ面上のある一点はそこを通る主光線のみにつ
いて方向あるいは結像距離を変化させるべく傾きと曲率
が定められている、ということである。これを収差補正
の考え方でいえば、球面収差とコマ収差を無視して像面
湾曲収差と歪曲収差を高次の項まで含めて完全に補正す
るということを意味する。上述の仮定はレーザービーム
プリンタ等の走査光学系では一般に十分成立する。 【0012】さらに走査レンズ系は、任意の偏向角で偏
向された光束の主光線は必ず同一平面上にある(これを
子午面と呼ぶ)から、光束が非常に細いこととあわせ
て、面上で傾きと曲率が指定される点は、子午面とレン
ズ面が交わった曲線上だけでよいことがわかる。従って
本発明の第2の構成原理は子午面上に曲線を創成して、
その曲線上の任意の点において子午面内の傾きと曲率と
が前述の走査用レンズの目的を達しており、さらに曲線
上の任意の点において主光線を含み子午面に垂直な断面
(球欠断面と呼ぶ)の曲率が与えられれば面が形成でき
たとすることである。 【0013】ただし、子午方向の傾きと曲率はそれを連
続的に接続して子午面内のレンズ面位置を形成するため
それぞれ独立には定められないが、球欠断面曲率はそれ
らとは独立に扱える。従って、子午面内のレンズ面形状
のみについて上記第1、第2の構成原理を適用した光学
系も当然本発明の範囲に含まれることは明らかである。 【0014】以下、図2の斜視図を用いて本発明に係る
レンズの構成原理を具体的に説明する。図2において光
束{Li-1 }は面Si によって光束{Li }に変換され
る。光束{Li }のTi から測った結像距離は子午光束
でgmi、球欠光束でgsiとする。一般にgmiとgsiは等
しくない。前述したように光束は非常に細いので光束
{Li }を扱うとき、主光線Lciと子午、球欠それぞれ
の結像距離gmi、gsiだけを考えればよい。さて、面S
i を通過後の主光線Lciの方向は面Si のTi における
法線方向ei で制御することができる。また面Si を通
過後の結像距離gmi、gsiは面Si のTi における子午
断面曲率半径Rmiと球欠断面曲率半径Rsiで制御するこ
とができる。従ってある角度で偏向された光束1本を走
査平面上で等速走査が実現できる位置に結像させる機能
をレンズ面上の1点の位置とその微分量(法線方向と曲
率)で持たせることでできたわけで、それを連結させて
任意の角度で偏向された光束に対応したレンズ面上の各
点に上記の機能を持たせれば目的とする走査用レンズ形
状が定まるわけである。これが前述の第1の構成原理で
ある。 【0015】さて、前述したように主光線Lci等は子午
面上を離れないため、面Si の法線方向ベクトルei
子午面内にあり面の傾きを表す自由度として図2に示す
光軸と法線ベクトルのなす角αi の1自由度でよい。ま
た面Si の子午断面曲率は面の傾きαi の微分量であ
り、面の傾きαi は面Si の子午面上の位置の微分量で
あるから、結局子午面の方向の面の傾きと曲率を指定す
ることは微分方程式を解いて子午面上の2次元曲線を創
成することと同じ意味を持つことがわかる。また、球欠
断面曲率は上記曲線に影響を与えず決定されるものであ
るから、曲線が創成された後その曲線上の各点について
それぞれ決定される。これが第2の構成原理である。 【0016】以上述べた構成原理より走査用レンズが実
現できるわけであるが、それが両非球面の単レンズで実
現可能であることを図3の原理図を用いて説明する。図
3において紙面は子午面を表している。 【0017】まず子午面について考える。いま拘束した
いのは主光線Lciと被走査平面SIの交点TI の座標値
I とTI が結像点であることの2自由度である。例え
ば任意の角度θで偏向されている光束の走査位置YI
拘束するために面の傾きα1を面上の全位置で指定し、
それに従って滑らかに面を接続した形状は境界条件(例
えば光軸との交点P1 の座標値X1 とそこでの傾きが0
であること)を指定すれば、S1 のように1通りに定ま
り、その面での曲率半径Rm1を指定することはできず、
光束は被走査平面上にない点TI ’で結像してしまう。
逆に、結像点を拘束するために面の曲率半径Rm1を面上
の全位置で指定すれば同様に面の傾きα1 を指定するこ
とはできない。このように光線の持つパラメータのうち
ある1つの自由度を偏向角θの任意の値で拘束するため
には1つの面が必要であるから、今、上述の2自由度を
拘束するために、最低2面のレンズ面が必要となる。 【0018】次に球欠光束について考えると、拘束した
いのは球欠方向結像位置gsiの一自由度であって、これ
は子午面内で拘束した状態すなわち曲線の形状を保存し
たまま、子午面上の曲線にそれと垂直な方向に曲率をつ
けることで制御できるため、前述の2面に新たに面を付
け加える必要はない。 【0019】従って必要なレンズ面は2面で、単玉レン
ズでよいことがわかる。また2面ともレンズ面の全位置
で傾き、曲率が指定された面であるから単玉レンズは両
非球面でなければならない。 【0020】さて、ここで上述の構成の単玉非球面レン
ズの面の対称性について考えてみる。子午面内に創成さ
れた2曲線を光軸等何らかの軸を中心にして回転させる
と球欠方向の曲率半径の自由度が失われてしまう。従っ
て回転対称性を持たせると球欠光束の結像を制御できず
球欠像面湾曲収差が生じる。面対称性については、光束
が常に子午面上にあるので明らかに子午面については対
称であり、また光軸を通る光束を偏向角0として偏向角
がθの光束と−θの光束とは同じ条件であるから光軸を
含み子午面と垂直な平面についても対称である。このよ
うに本発明の走査用レンズは対称面が2面ある以外は対
称性がないことによって球欠像面湾曲収差、子午像面湾
曲収差、歪曲特性収差の完全な補正が可能となってい
る。 【0021】以下本発明の走査用単玉両非球面レンズの
形状を実現する具体的方法を図4の原理図を用いて説明
する。まず、子午面上の2曲線の創成方法を説明する。
図4に示すようにレンズ面S1 、S2 はそれぞれ光軸と
の交点P1 、P2 から曲線に沿った距離s1 、s2 とそ
の点での光軸に垂直な方向からの傾き角α1 、α2 との
関係で規定されている。これを直交座標で表現し直す
と、面S1 、S2 について、それぞれP1 、P2 を原点
として光軸をx軸、レンズの高さ方向をy軸とすると、
点T1 、T2 の座標値(x1 ,y1 ),(x2 ,y2
となる。 【0022】いま、図4に示すように、光軸上の出射点
M から偏向角θ、子午結像距離g m0で出射した光束L
i (i=0,1,2)が面S1 、S2 とそれぞれT1
2で、像面SI とTI で交わるとし、以下のように光
束の出射位置、出射方向を表す。すなわち ベクトルPM 1 =(a0 cosθ ,a0 sinθ ) ベクトルT1 2 =(a1 cosθ1 ,a1 sinθ1 ) (2) ベクトルT2 I =(a2 cosθ2 ,a2 sinθ2 ) とする。さらに面S1 、S2 のT1 、T2 での子午断面
曲率半径をそれぞれRm1、Rm2とし、また、光束L1
2 の子午結像距離をgm1、gm2とする。 【0023】以上の記述方法に従って、前述したレンズ
形状の構成原理を定式化することができる。定式化を以
下に示す6項目に分けて説明する。 面S1 、S2 と光束の交点において面の傾きによっ
て光束の方向を制御する。 面S1 、S2 と光束の交点において面の曲率によっ
て光束の結像距離を制御する。 面の光束の交点の座標が等しい。 面上の各点は滑らかに連続している。 光束は走査平面上に結像する。 走査平面上で結像点は等速走査される。 【0024】の屈折面の傾きと光束の方向の関係は、
よく知られた屈折の法則をS1 、S2 面とL1 、L2
交点について適用することによって sin(α1 −θ)=nsin(α1 −θ1 ) :S1 面 (3) nsin(α2 −θ1 )=sin(α2 −θ2 ) :S2 面 (4) と表せる。ただしnはレンズ媒質の屈折率である。 【0025】の面の曲率と光束の結像距離の関係は、
細い光束がある曲率を持った面に斜め入射した時の子午
結像距離の関係式をS1 面、S2 面に適用して ncos2 (α1 −θ1 )/gm1 =cos2 (α1 −θ)/(gm0−a0 )+ {ncos(α1 −θ1 )−cos(α1 −θ)}/Rm1 (5) S1 面 cos2 (α2 −θ2 )/gm2 =ncos2 (α2 −θ1 )/(gm1−a1 )+ {cos(α2 −θ2 )−ncos(α2 −θ1 )}/Rm2(6) S2 面 が得られる。 【0026】については、前出の(1)式で計算され
る面位置の直交座標値と前出の(2)式をもとに計算さ
れる光線の屈折点の直交座標値が等しいとおいて、の関係がある。ただしX1 は面S1 と光軸の交点のx座
標値、X2 は面S2 と光軸の交点のx座標値である。 【0027】について、面が連続している条件は、
(7)〜(10)式中の積分が可能であるということで
ある。また面が滑らかである条件は、面の傾きα1 、α
2 が微分可能であるということであって dα1 /ds1 =−1/Rm1 (11) dα2 /ds2 =−1/Rm2 (12) なる関係がある。 【0028】の走査平面上で像点が等速走査される条
件は像面と光束の交点(XI ,YI)が XI =a2 cosθ2 +a1 cosθ1 +a0 cosθ (13) YI =a2 sinθ2 +a1 sinθ1 +a0 sinθ (14) の関係があって、かつ走査点位置YI は、偏向器の回動
特性 θ=F(τ) (15) を用いて YI =K・F-1(θ) (16) となる。ただしF-1はFの逆関数、τは時間のパラメー
タ、Kは適当な比例定数である。例えば今、回動特性が
等角速度偏向であった場合、 F(τ)=ωτ ω:角速度 (17) であるから YI =K・θ/ω=f・θ f=K/ω:定数 (18) と書ける。また(13)式のXI は走査面のx座標で光
軸長を表している。 【0029】の走査平面上で結像する条件は、(6)
式中の子午光束結像距離gm2が(13)、(14)式で
表されるa2 に等しければ満足される。即ち gm2=a2 (19) 以上のようにして本発明に係るレンズ形状の構成原理が
(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、
(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、
(14)、(16)、(19)の14式で定式化された
わけだが、以下にこれらを計算することによって実際に
レンズ面形状が何らかの形で直接表現できることを述べ
る。式中に現れた変数のうち偏向角θ、初期子午結像距
離gm0は出射時に与えられており既知である。また光軸
長XI 、面S1 、S2 の光軸との交点位置X1 、X2
等速走査の定数Kは偏向角θによらない定数値である。
従って未知数は残ったθ1 ,θ2 ,α1 ,α2 ,s1
2 ,gm1,gm2,a0 ,a1,a2 ,Rm1,Rm2,Y
I の14個であって、前出の14式はすべて独立である
から、連立方程式は解けて上記14変数は例えば偏向角
θの関数として表現できる。従って例えば面S1 を表現
する時は傾きα1 と光軸から面に沿った距離s1の関係
を偏向角θをパラメータとして対応させればよい。 【0030】ところで、上述の14元連立方程式は非線
形でかつ微分項と積分項を含んでいるため、直接解くこ
とはできず数値解法を用いなければならない。数値解法
としては種々考えられ本発明はそれを限定するものでは
ないが、ここでは一実施例として、微分ベクトル場にお
ける数値積分の方法で実際にこの方程式が数値計算で解
けレンズ形状が決定できることを示しておく。 【0031】微分ベクトル場で解くとは、方程式をすべ
て微分形式で表して現在の変数の値はすべて既知として
それぞれの変数の増分(微分変数)を計算して次の変数
の値を求めるというものである。前出14式を整理して
微分形で表すと、(3)、(4)式は (dα1 −dθ)cos(α1 −θ) =n(dα1 −dθ1 )cos(α1 −θ1 ) (20) n(dα2 −dθ1 )cos(α2 −θ1 ) =(dα2 −dθ2 )cos(α2 −θ2 ) (21) (5)、(6)式と(11)、(12)式をあわせて {ncos2 (α1 −θ1 )/gm1}ds1 ={cos2 (α1 −θ)/(gm0−a0 )}ds1 − {ncos(α1 −θ1 )−cos(α1 −θ)}dα1 (22) {cos2 (α2 −θ2 )/a2 }ds2 ={ncos2 (α2 −θ1 )/(gm1−a1 )}ds2 − {cos(α2 −θ2 )−ncos(α2 −θ1 )}dα2 (23) ただし、gm1は(22)、(23)式を連立させて消去
する。 【0032】また(7)〜(10)式は da0 cosθ−a0 sinθdθ=−sinα1 ds1 (24) da0 sinθ+a0 cosθdθ=cosα1 ds1 (25) da1 cosθ1 −a1 sinθ1 dθ1 +da0 cosθ −a0 sinθdθ=−sinα2 ds2 (26) da1 sinθ1 +a1 cosθ1 dθ1 +da0 sinθ +a0 cosθdθ=cosα2 ds2 (27) (13)、(14)式は 0=da2 cosθ2 −a2 sinθ2 dθ2 +da1 cosθ1 − a1 sinθ1 dθ1 +da0 cosθ−a0 sinθdθ (28) dYI =da2 sinθ2 +a2 cosθ2 dθ2 +da1 sinθ1 + a1 cosθ1 dθ1 +da0 sinθ+a0 cosθdθ (29) (16)式は dYI =K{F-1(θ)}dθ (30) となる。(19)式は単に代入すれば良い。(20)〜
(30)式のうち未知である微分変数はdθ1 ,d
θ2 ,dα1 ,dα2 ,ds1 ,ds2 ,da0 ,da
1 ,da2 ,dYI であって、上記(20)〜(30)
式は(22)、(23)式を連立させて1個の式にした
ものが2次の方程式である以外はすべて1次であるから
容易に解けて、既知の微分変数dθによって例えば dθ1 =Fθ1 (θ1 ,θ2 ,α1 ,α2 ,s1 ,s2 ,a0 ,a1 ,a2 )dθ (31) のように表現できる。これより例えばθ1 は、 と積分すれば偏向角θをパラメータとして表現できる。
ただしθ0 1は初期値である。実際の計算は初期値を
θ1 ,θ2 ,α1 ,α2 ,s1 ,s2 については0、a
0 ,a1 ,a2 については前出のX1 ,X2 ,XI の値
を用いて a0 0=X1 0 1=X2 −X1 (33) a0 2=XI −X2 として、数値積分によって計算できる。 【0033】さて、以上のようにして本発明のレンズ形
状の子午面上曲線が具体化されるわけだが、具体化する
過程で現れた定数n,X1 ,X2 ,XI ,gm0,Kはそ
のまま本発明のレンズ形状のとりうる自由度となる。す
なわち、ある適当な定数の組{X1 * ,X2 *
I * ,gm0 * ,K* }の1つについて1つのレンズ形
状が存在するわけであり、当然本発明はこれらのすべて
のものを含んでいる。 【0034】なお、子午初期結像位置gm0 * を無限大に
設定する、すなわち走査用レンズに入射する前の子午光
束を平行光束としておけば、ビーム径等が制御し易く取
扱い易い光学系となる。本発明の走査用レンズは上述の
ように平行光束に対しても当然適用可能である。 【0035】さて次に、球欠結像距離を制御する球欠断
面曲率半径Rs1、Rs2の決定方法を説明する。(5)、
(6)式に細い光束が斜めに入射した時の子午結像距離
の関係式を示したが、球欠結像距離については、 n/gs1=1/(gs0−a0 )+ {ncos(α1 −θ1 )−cos(α1 −θ)}/Rs1 :S1 面 (34) 1/gs2=n/(gs1−a1 )+ {cos(α2 −θ2 )−ncos(α2 −θ1 )}/Rs2 :S2 面 (35) が成り立つ。被走査平面上に球欠方向の結像点がある条
件は gs2=a2 (36) である。(34)、(35)、(36)式によって球欠
断面曲率半径Rs1,Rs2が決定されるわけであるが、式
中でa0 ,a1 ,a2 ,α1 ,α2 ,θ,θ1 ,θ2
前述の方法によって子午面曲線がすでに決定されている
ため既知であり、gs0は与えられているため未知数はg
s1,gs2,Rs1,Rs2の4個である。従って方程式3個
に対し冗長自由度があることになり、未知数のうち1つ
は適当に定めてよいことがわかる。例えば面形状の簡単
化のため、Rs1を常に無限大にして(34)式の右辺第
2項を0にすれば第1面は球欠方向に曲率を持たない面
になる。 【0036】なお初期球欠結像距離gs0は任意に与えて
よいが偏向器が回転多面鏡の場合、 gs0=0 ととれば鏡面の反射点と走査点とが共役像点となって面
倒れ補正機能を持たせることができる。 【0037】 【発明の実施の形態】本発明に係るレンズ形状の構成原
理に基づいてレンズ面形状を計算した実施例を表1から
表9までと図5から図12までに示す。 【0038】前述したように本発明のレンズ形状は、レ
ンズ媒質の屈折率n、初期結像距離g0 、レンズの第1
面、第2面が光軸と交わる位置X1 、X2 、光軸長
I 、走査速度定数Kの6個のパラメータをそれぞれ独
立に変化させることができ、1つのパラメータの値の組
に対して1つのレンズ形状が存在する。従って一見して
全く異質の形状と思われるような実施例が極めて多数存
在し、それらすべてを掲げることは不可能であるため、
ここには代表的な実施例を示すにとどめる。 【0039】以下に示す実施例に共通する計算条件は、 ・レンズ媒質の屈折率 n=1.486 ・偏向点から被走査平面までの光軸長 XI =200mm ・偏向器は回転多面鏡偏向器で等角速度偏向 ・初期子午結像距離gm0は無限大。すなわち走査用レン
ズに入射する前の光束は平行光束である。 ・球欠断面曲率は第2面にのみ付与してある。 ・初期球欠結像距離gs0は0。従って回転多面鏡の反射
点と走査点は共役像点となり、面倒れ補正機能が付与さ
れている。である。 【0040】なお本発明によるレンズ形状は簡単な数値
や数式では表現されず、例えば数値例として結果が求ま
る。そこで便宜上、子午面上の曲線形状については周知
の非球面係数を用いた式 x=(y2 /R)/[1+√{1−(y/R)2 }]+
By4 +Cy6 +Dy8 +Ey10 :ただしxは光軸をx軸、面と光軸の交点を原点にとっ
たときのx座標値。で表し、第2面の球欠断面曲率半径
s2については Rs2=Rs2 0 +Ay2 +By4 +Cy6 +Dy8 +Ey
10 で表す。このように近似した時の真の形状からの誤差は
0.001%〜0.01%程度である。 【0041】表1、表2、表3に第1面S1 の子午平面
上の曲線形状を示す係数Rm1,B1,C1 ,D1 ,E1
を、表4、表5、表6に第2面S2 の子午平面上の曲線
形状を示す係数Rm2,B2 ,C2 ,D2 ,E2 を、表
7、表8、表9に球欠断面方向の曲率半径変化を示す係
数Rs 0 ,As ,Bs ,Cs ,Ds ,Es を、パラメー
タθe ,X1 ,X2 を変化させて計算した値を掲げる。
ただし有効偏向角θe は、前出(18)式の走査速度係
数Kのかわりに用いたパラメータで、有効走査幅を20
0mmと定めると、 θe =200/K (rad) である。X1 ,X2 は前出のとおり、第1面S1 、第2
面S2 が光軸と交わる点の位置である。なお、前述の共
通の計算条件のもとで、パラメータの組θe ,X 1 ,X
2 の値が同じものは同一のレンズとなる。 【0042】さらに、表に示した実施例中のいくつかの
ものについて、子午面上の曲線形状の概観を、光路図と
ともに図5から図12までに示した。だだし曲線は光軸
について対称であるため、光軸の逆側は省略してある。
ここで掲載された実施例はすべて本発明の構成原理に従
って、球欠像面湾曲収差、子午像面湾曲収差は完全に除
去されており、また歪み特性は走査点が等速移動するよ
うに完全に定められている。 【0043】だだし、完全というのは理想的な状態であ
って実際のレンズ形状には形状を算出する時の数値計算
誤差、あるいは製造誤差等のため像面湾曲収差、歪曲特
性収差が多少は生じる。もちろんそれらの収差にはある
程度の許容範囲があり、その範囲内であれば走査用レン
ズとして有効であるから、本発明はそれらを除外するも
のではない。 【0044】 【表1】 【0045】 【表2】【0046】 【表3】 【0047】 【表4】【0048】 【表5】【0049】 【表6】 【0050】 【表7】 【0051】 【表8】【0052】 【表9】【0053】図13に本発明に基づくレンズ形状の一実
施例を用いたレーザービームプリンタの光学系の全体像
を表す斜視図を示す。半導体レーザー2から出射した光
束はコリメータレンズ3で平行光束となり、シリンドリ
カルレンズ4によって球欠方向にのみ収束させられて回
転多面鏡偏向器6の鏡面付近で線状で結像する。光束は
多面鏡5の回転によって子午平面内で等角速度偏向さ
れ、本発明による走査用レンズ1を通過した後、感光ド
ラム7上に結像する。球欠方向については鏡面と感光ド
ラム面が共役結像点となっており面倒れ補正系をなして
いる。像点は本発明の走査用レンズ1によって感光ドラ
ム7の軸方向に等速走査され、像面湾曲なく直線上に結
像する。この走査1回につき感光ドラムが1ピッチだけ
回転してそれが繰返されることによって感光ドラム上に
潜像が形成される。 【0054】 【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の光走査
装置は走査用レンズが、光束が被走査平面上で等速で移
動するような歪み特性を有し、かつ被走査平面上におけ
る光束の像面湾曲収差が零またはほとんど零となる如く
両面が非球面であるプラスチック材料からなる単玉レン
ズであるため、単玉であってもほとんど収差がなくきわ
めて良好な結像スポットが得られまた広角偏向で光軸長
の短い走査用レンズが構成できる。また、そのレンズ媒
質として、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポ
リカーボネート、ポリスチレン等のガラスに比べて屈折
率の低いプラスチック材料を用いていても、上記と同じ
理由により設計上の何らの支障にならず、かつ射出成形
による大量生産が可能であるため、高性能なものを極め
て安価に製造できる。従って小型で低価格、しかも高性
能な光走査装置を提供することができる、という効果を
有する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
The present invention relates to an optical scanning device used for a computer or the like. Learn more
Relates to a scanning lens system. [0002] 2. Description of the Related Art A laser beam or the like is deflected and scanned at high speed.
Laser beam printers that record image information
It has excellent features such as high resolution and low noise, and is compact.
As the price becomes lower, the demand for them will increase rapidly.
I have. Therefore, the important component is optical writing.
It is necessary to reduce the size and cost of optical scanning devices.
The demand is great. The optical scanning device is roughly divided into a light source and a deflector.
It consists of a scanning lens system, but the scanning lens system is simple
Reduction is effective for downsizing and price reduction. The scanning lens system is adapted to the turning characteristics of the deflector.
Distortion such that the light spot moves at a constant speed on the scanning surface,
For example, if the deflector is a rotating polygon mirror and the light beam is
When it is deflected, the deflection angle θ is proportional to the image height Y.
It has a distortion and a light spot everywhere on the scanning plane.
Must have the ability to form a uniform image at the desired diameter
No. Furthermore, in the case of a rotary polygon mirror deflector,
Troublesome to compensate for variations in tilt (faulting error)
A correction function is also required. Resolution that combines these functions
High-performance, high-performance scanning lenses have traditionally been large and complex.
It had to be crude and expensive. Therefore, JP-A-54-98627 and JP-A-5-98627
No. 5-7727, JP-A-58-5706, etc.
As described above, it has been attempted to use a single scanning lens. Toko
However, in JP-A-54-98627, it has a sinusoidal vibration characteristic.
For the deflector that is
Aberration correction can be performed widely for various values of parameters.
However, it is still widely used because of its high speed.
For the constant angular velocity characteristics of a rotating polygon mirror deflector
Although it is aspherical to correspond to
Therefore, it can be used only under extremely limited conditions.
Flexible for various requirements such as size, light source, required dot diameter, etc.
Can not correspond to. In Japanese Patent Laid-Open No. 55-7727, plano-convex lens is used.
The fθ lens is composed of two lenses, but it is good in terms of field curvature.
It is hard to say that it has good imaging performance. In addition,
58-5706 Meniscus lens with positive power
The fθ lens is composed of
There is a problem, in order to eliminate this problem
We have to add a double-sided cylindrical lens. further,
All of the above 3 examples are new in order to add the trouble correction function.
I have to add a lens, and eventually a single lens
Is gone. In addition, the deflection angle can be increased by increasing the optical axis length.
It is possible to keep the aberration within the allowable range by narrowing it.
However, it is not preferable because the entire optical system becomes large. By the way, when considering downsizing and cost reduction,
The material of the lens is also an important issue. Conventional scanning lens
Glass is used as the material, but the performance of the diffraction limit is
Since it is a required optical system and the required accuracy is high, polishing etc.
Manufacturing cost is high. So polymethylmethacrylate
(PMMA), polycarbonate, polystyrene, etc.
If the plastic of the
Since it is possible to mass-produce it, it can be manufactured at extremely low cost.
There are few types of optical plastic materials, and
There is no one with a higher refractive index than lath. Therefore, the number of lenses
It is more difficult to reduce or downsize the optical system than glass. [0007] These points are taken into consideration, and the refractive index of the material
Without using a single lens, the aberration can be corrected well even if the optical axis is short.
A lens shape with a large degree of freedom is desired.
I understand. [0008] SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is as described above.
It was made in view of the problems, and its purpose is small and low.
Cost and high performance optical scanning device, especially scanning lens
To provide. [0009] [MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS]
The bright optical scanning device includes a light source that emits a thin light beam and the light beam.
And a deflector that deflects and scans in a predetermined direction.
And a scanning lens for forming an image of the formed light flux on the scanned surface
And the scanning lens is made of a plastic material
It is composed of a single lens, and has a unique turning characteristic of the deflector.
Distortion in which the deflected light flux moves at a constant speed on the scanned surface
It has characteristics and at any position on the scanned plane
To correct the field curvature aberration in the meridional direction of the light flux,
The shape of both sides in the plane is connected to the scanning position by the non-circular amount of both sides.
Independently defined shape to constrain the two degrees of freedom of the image point
It is formed in a non-circular shape, and further field curvature aberration in the sagittal direction
To correct at least one of the both sides.
Curvature in the meridian plane along a non-circular curve
The index is set so that it changes independently of the meridional curvature.
It is characterized by becoming. [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The principle of the present invention is shown in FIGS.
3 and FIG. 4 will be described below. The scanning lens is
As described above, the deflector causes constant angular velocity or sinusoidal vibration.
Image of the light beam deflected by the rotation characteristics such as
Images are formed without surface curvature, and the image points scan at a constant speed on the scanned plane.
It has a function of giving distortion as described above. For example a deflector
If is a rotating polygon mirror, as shown in Figure 1,
The emitted light beam is a mirror surface SMAccording to the rotation of the polygon mirror 5
Is reflected at a deflection angle θ. The scanning lens 1 uses this light
A point T where the coordinate value Y is proportional to the deflection angle θ on the plane to be scanned
IIs set to image. The scanning lens of the present invention is
Based on the principle described below, S shown in FIG.1, STwoBoth
The aspherical surface is highly utilized and the aberration is small.
It is a single lens that is capable of wide-angle deflection without it. The first component original of the lens surface shape according to the present invention
The theory is that the light flux is
Only the parameters of the position and direction of the chief ray and the imaging distance are displayed.
However, one point on the lens surface is only for the chief ray passing through it.
Tilt and curvature to change the direction or imaging distance
Is defined. This is aberration correction
The spherical surface and coma are ignored in the image plane.
Completely corrects bending and distortion, including higher-order terms
It means that The above assumption is the laser beam
Generally, it is sufficiently established in a scanning optical system such as a printer. Further, the scanning lens system is designed to deviate at an arbitrary deflection angle.
The chief ray of the directed light beam is always on the same plane (
It is called the meridian plane.)
The points for which the slope and curvature are specified on the surface are the meridional surface and the lens.
It can be seen that it is sufficient only on the curve where the surfaces intersect. Therefore
The second construction principle of the present invention is to create a curve on the meridian plane,
The slope and curvature in the meridian plane at any point on the curve
Has achieved the purpose of the scanning lens mentioned above, and
A section including the chief ray at any point above and perpendicular to the meridian plane
A surface can be formed if a curvature (called a spherical section) is given.
That is to say. However, the inclination and the curvature in the meridian direction are continuous.
To connect continuously to form the lens surface position in the meridian plane
Although not independently defined, the spherical section curvature is
It can be treated independently. Therefore, the lens surface shape in the meridian plane
Optical to which the above-mentioned first and second constitutional principles are applied
It is obvious that the system is also included in the scope of the present invention. The present invention will be described below with reference to the perspective view of FIG.
The principle of lens construction will be specifically described. Light in Figure 2
Bunch {Li-1} Is the surface SiLuminous flux {Li} Is converted to
You. Luminous flux {LiT's TiThe imaging distance measured from is the meridional luminous flux
In gmiGsiAnd Generally gmiAnd gsiIs
Not good. As mentioned above, the luminous flux is very thin, so
{LiWhen dealing with}, the principal ray LciAnd meridian, each missing ball
Imaging distance gmi, GsiJust think about it. Well, surface S
iRay L after passing throughciDirection is surface SiTiIn
Normal direction eiCan be controlled with. Surface SiThrough
Imaging distance after passing gmi, GsiIs the surface SiTiAt noon
Radius of curvature RmiAnd radius of curvature R of spherical sectionsiControl with
Can be. Therefore, run one light beam deflected at an angle
Function to form an image at a position where constant velocity scanning can be realized on the inspection plane
Is the position of one point on the lens surface and its derivative (normal direction and curve
It was possible to have it by holding it, so connect it
Each on the lens surface corresponding to the light beam deflected at an arbitrary angle
If the point has the above function, the desired scanning lens shape
The situation is fixed. This is the above-mentioned first configuration principle
is there. Now, as described above, the chief ray LciEtc. is meridian
Since it does not leave the surface, surface SiNormal direction vector eiAlso
Fig. 2 shows the degrees of freedom that are in the meridian plane and represent the inclination of the plane.
Angle α between the optical axis and the normal vectoriOne degree of freedom is sufficient. Ma
Face SiThe meridional cross-section curvature of is the inclination of the surface αiIs the differential amount of
, Surface inclination αiIs the surface SiIs the derivative of the position on the meridian of
Therefore, after all, specify the tilt and curvature of the surface in the meridian direction.
Is to solve the differential equation and create a two-dimensional curve on the meridian plane.
It turns out that it has the same meaning as doing. Also, lack of ball
The cross-section curvature is determined without affecting the above curve.
Therefore, for each point on the curve after the curve is created,
Each is decided. This is the second configuration principle. According to the above-mentioned construction principle, the scanning lens is practically used.
It can be realized, but it is actually a single lens with both aspherical surfaces.
What is possible is explained by using the principle diagram of FIG. Figure
In 3, the paper surface represents the meridian surface. First, consider the meridian plane. Restrained now
Ino is the chief ray LciAnd the scanned plane SIIntersection TICoordinate value of
YIAnd TIAre two degrees of freedom that are imaging points. example
For example, the scanning position Y of the light beam deflected at an arbitrary angle θITo
The slope α of the surface to constrain1Is specified at all positions on the surface,
According to that, the shape that connects the surfaces smoothly is the boundary condition (example
For example, the intersection P with the optical axis1Coordinate value X1And the slope there is 0
Is specified), S1It is decided in one way like
And the radius of curvature R on that surfacem1Cannot be specified,
The light flux is a point T not on the plane to be scannedI’.
On the contrary, the radius of curvature R of the surface for restraining the image formation pointm1On the surface
If all positions are specified, the surface inclination α1Specify
I can not do such a thing. Of the parameters that rays have like this
To constrain one degree of freedom with an arbitrary value of the deflection angle θ
Requires one surface, so now the two degrees of freedom above
At least two lens surfaces are required for restraint. Next, let us consider the spherical light flux.
Inoculation position gsiThis is one degree of freedom
Is the state of constraint in the meridian plane, that is, the shape of the curve
The curvature on the meridian in the direction perpendicular to it.
Because it can be controlled by kicking, a new surface is added to the above two surfaces.
No need to add. Therefore, two lens surfaces are required, and a single lens
I understand that it is good. Also, both surfaces are all positions on the lens surface.
Since it is a surface whose inclination and curvature are specified by
Must be aspheric. Now, here, the single-lens aspherical lens having the above-mentioned structure is used.
Consider the symmetry of the Z's plane. Created in the meridian plane
The two curved lines around an axis such as the optical axis
And the degree of freedom of the radius of curvature in the sagittal direction is lost. Follow
If it has rotational symmetry, it cannot control the image formation of the spherical ray.
Spherical field curvature aberration occurs. For plane symmetry, the luminous flux
Is always on the meridian, so obviously
The deflection angle is 0, and the deflection angle is 0.
Is the same condition as the luminous flux of θ and the luminous flux of −θ.
It is also symmetrical about a plane perpendicular to the implied meridian plane. This
As described above, the scanning lens of the present invention is paired except that it has two planes of symmetry.
Spherical aspheric curvature of field due to lack of name, meridional field bay
It is possible to completely correct bending aberration and distortion characteristic aberration.
You. Hereinafter, a single-lens double aspherical lens for scanning according to the present invention will be described.
A concrete method to realize the shape is explained using the principle diagram of FIG.
I do. First, a method of creating two curves on the meridian plane will be described.
As shown in FIG. 4, the lens surface S1, STwoAre the optical axis and
Intersection P of1, PTwoThe distance s along the curve from1, STwoToso
Angle α from the direction perpendicular to the optical axis at the point1, ΑTwoWith
It is regulated by the relationship. Re-express this in Cartesian coordinates
And surface S1, STwoAbout P1, PTwoThe origin
Assuming that the optical axis is the x-axis and the lens height direction is the y-axis,
Point T1, TTwoCoordinate value (x1, Y1), (XTwo, YTwo)
Is Becomes Now, as shown in FIG. 4, the emission point on the optical axis
PM, Deflection angle θ, meridional imaging distance g m0Luminous flux L emitted at
i(I = 0, 1, 2) is the surface S1, STwoAnd T respectively1,
TTwoAnd the image plane SIAnd TIAnd then light as follows
The output position and the output direction of the bundle are shown. Ie     Vector PMT1= (A0cos θ, a0sin θ)     Vector T1TTwo= (A1cos θ1, A1sin θ1) (2)     Vector TTwoTI= (ATwocos θTwo, ATwosin θTwo) And Further surface S1, STwoT1, TTwoMeridian section at
R is the radius of curvaturem1, Rm2And the luminous flux L1,
LTwoThe meridional imaging distance of gm1, Gm2And According to the above description method, the above-mentioned lens
The constitution principle of the shape can be formulated. Following the formulation
The following six items will be described separately.   Surface S1, STwoAt the intersection of
Control the direction of the light flux.   Surface S1, STwoAt the intersection of
To control the image forming distance of the light flux.   The coordinates of the intersections of the light beams on the surfaces are equal.   Each point on the surface is smoothly continuous.   The light flux forms an image on the scanning plane.   The imaging point is scanned at a constant speed on the scanning plane. The relationship between the inclination of the refracting surface and the direction of the light beam is
The well-known law of refraction is S1, STwoPlane and L1, LTwoof
By applying about the intersection     sin (α1−θ) = nsin (α)1−θ1): S1Surface (3)     nsin (αTwo−θ1) = Sin (α)Two−θTwo): STwoSurface (4) Can be expressed as Here, n is the refractive index of the lens medium. The relationship between the curvature of the surface and the image forming distance of the light beam is
A meridian when a thin light beam is obliquely incident on a surface with a certain curvature
The relational expression of the imaging distance is S1Surface, STwoApply to the surface     ncosTwo1−θ1) / Gm1      = cosTwo1−θ) / (gm0-A0) +             {Ncos (α1−θ1) -Cos (α1-Θ)} / Rm1  (5)                                                           S1surface     cosTwoTwo−θTwo) / Gm2           = NcosTwoTwo−θ1) / (Gm1-A1) +             {Cos (αTwo−θTwo) -Ncos (αTwo−θ1)} / Rm2(6)                                                           STwosurface Is obtained. [Mathematical formula-see original document] is calculated by the above equation (1).
Calculated based on the Cartesian coordinate value of the surface position and the equation (2) above.
Given that the orthogonal coordinate values of the refraction points of theThere is a relationship. Where X1Is the surface S1X seat at the intersection of
Standard value, XTwoIs the surface STwoIs the x-coordinate value of the intersection of the and the optical axis. As for the condition that the surfaces are continuous,
By the fact that the integration in equations (7) to (10) is possible,
is there. The condition that the surface is smooth is determined by the inclination α of the surface.1, Α
TwoIs differentiable     dα1/ Ds1= -1 / Rm1                                  (11)     dαTwo/ DsTwo= -1 / Rm2                                  (12) There is a relationship. The image points are scanned at a constant speed on the scanning plane of
The case is the intersection of the image plane and the light flux (XI, YI)But     XI= ATwocos θTwo+ A1cos θ1+ A0cos θ (13)     YI= ATwosin θTwo+ A1sin θ1+ A0sin θ (14) And the scanning point position YIIs the turning of the deflector
Characteristic     θ = F (τ) (15) Using     YI= K ・ F-1(Θ) (16) Becomes Where F-1Is the inverse function of F, τ is the parameter of time
And K are appropriate proportional constants. For example,
If the angular velocity deflection is     F (τ) = ωτω: angular velocity (17) Because     YI= K · θ / ω = f · θ f = K / ω: constant (18) Can be written. In addition, X in equation (13)IIs the light at the x coordinate of the scanning plane
Shows the axial length. The conditions for forming an image on the scanning plane of (6) are as follows:
Meridional luminous flux image formation distance g in the formulam2Is in equations (13) and (14)
Represented aTwoSatisfied if equal to. That is     gm2= ATwo                                                  (19) As described above, the principle of forming the lens shape according to the present invention is
(3), (4), (5), (6), (7), (8),
(9), (10), (11), (12), (13),
Formulated by 14 equations (14), (16), and (19)
However, by actually calculating these below
Stated that the lens surface shape can be directly expressed in some way
You. Among the variables appearing in the equation, the deflection angle θ and the initial meridional imaging distance
Separation gm0Is given at the time of emission and is known. Also the optical axis
Long XI, Surface S1, STwoPosition X with the optical axis of1, XTwo,
The constant velocity scanning constant K is a constant value that does not depend on the deflection angle θ.
Therefore the unknown remains1, ΘTwo, Α1, ΑTwo, S1,
sTwo, Gm1, Gm2, A0, A1, ATwo, Rm1, Rm2, Y
I14 of the above, and the above-mentioned 14 expressions are all independent
Therefore, the simultaneous equations can be solved and the above 14 variables are, for example, deflection angles.
It can be expressed as a function of θ. Thus, for example, surface S1Express
When doing1And the distance s along the plane from the optical axis1connection of
May be made to correspond using the deflection angle θ as a parameter. By the way, the above 14-system simultaneous equations are non-linear
Since it has the form and includes a differential term and an integral term, it can be solved directly.
Cannot be used and a numerical solution must be used. Numerical solution
However, the present invention is not limited thereto.
However, here, as an example, in the differential vector field,
This equation is actually solved numerically by the numerical integration method.
It is shown that the lens shape can be determined. Solving with a differential vector field means that all equations are
Expressed in differential form, all current variable values are known
Calculate the increment (differential variable) of each variable and move to the next variable
The value of is calculated. Organize the above formula 14
Expressed in differential form, equations (3) and (4) are     (Dα1−dθ) cos (α1−θ)                     = N (dα1−dθ1) Cos (α1−θ1) (20)     n (dαTwo−dθ1) Cos (αTwo−θ1)                     = (DαTwo−dθTwo) Cos (αTwo−θTwo) (21) Combining equations (5) and (6) with equations (11) and (12)     {NcosTwo1−θ1) / Gm1} Ds1           = {CosTwo1−θ) / (gm0-A0)} Ds1−           {Ncos (α1−θ1) -Cos (α1−θ)} dα1  (22)     {CosTwoTwo−θTwo) / ATwo} DsTwo           = {NcosTwoTwo−θ1) / (Gm1-A1)} DsTwo−           {Cos (αTwo−θTwo) -Ncos (αTwo−θ1)} DαTwo(23) However, gm1Erases by making simultaneous equations (22) and (23)
I do. Equations (7) to (10) are     da0cos θ-a0sinθdθ = -sinα1ds1        (24)     da0sin θ + a0cosθdθ = cosα1ds1          (25)     da1cos θ1-A1sin θ11+ Da0cos θ                         -A0sinθdθ = -sinαTwodsTwo  (26)     da1sin θ1+ A1cos θ11+ Da0sin θ                         + A0cosθdθ = cosαTwodsTwo    (27) Equations (13) and (14) are     0 = daTwocos θTwo-ATwosin θTwoTwo+ Da1cos θ1−         a1sin θ11+ Da0cos θ-a0sin θd θ (28)     dYI= DaTwosin θTwo+ ATwocos θTwoTwo+ Da1sin θ1+         a1cos θ11+ Da0sin θ + a0cos θd θ (29) Equation (16) is     dYI= K {F-1(Θ)} dθ (30) Becomes Equation (19) may be simply substituted. (20) ~
The unknown differential variable in equation (30) is dθ.1, D
θTwo, Dα1, DαTwo, Ds1, DsTwo, Da0, Da
1, DaTwo, DYIAnd above (20) to (30)
The formulas (22) and (23) are combined into one formula.
Everything is linear except that it is a quadratic equation
It is easy to solve, for example by the known differential variable dθ     dθ1     = Fθ11, ΘTwo, Α1, ΑTwo, S1, STwo, A0, A1, ATwo) Dθ                                                                 (31) Can be expressed as From this, for example, θ1Is And the deflection angle θ can be expressed as a parameter.
Where θ0 1Is the initial value. The actual calculation
θ1, ΘTwo, Α1, ΑTwo, S1, STwoFor 0, a
0, A1, ATwoAbout X1, XTwo, XIThe value of the
Using     a0 0= X1     a0 1= XTwo-X1                                            (33)     a0 Two= XI-XTwo Can be calculated by numerical integration. The lens shape of the present invention is as described above.
The meridional curve of the shape is embodied, but it is embodied
Constants n and X that appeared in the process1, XTwo, XI, Gm0, K is
The degree of freedom that the lens shape of the present invention can take is as it is. You
That is, an appropriate set of constants {X1 *, XTwo *,
XI *, Gm0 *, K*} One lens shape for one
That is, the present invention naturally applies to all of these.
Includes The meridional initial image formation position gm0 *To infinity
Set, that is, the meridional light before entering the scanning lens
If the bundle is a parallel light beam, the beam diameter etc. can be easily controlled.
The optical system is easy to handle. The scanning lens of the present invention is as described above.
As a matter of course, it is also applicable to a parallel light flux. Now, the sphere cutoff for controlling the sphere cut image forming distance
Radius of curvature Rs1, Rs2The method of determining will be described. (5),
The meridional image forming distance when a thin light beam is obliquely incident on the formula (6).
The relational expression of     n / gs1= 1 / (gs0-A0) +                 {Ncos (α1−θ1) -Cos (α1-Θ)} / Rs1                                                       : S1Surface (34)     1 / gs2= N / (gs1-A1) +                 {Cos (αTwo−θTwo) -Ncos (αTwo−θ1)} / Rs2                                                       : STwoSurface (35) Holds. Article with an image forming point in the direction of the spheroid on the plane to be scanned
The matter is     gs2= ATwo                                                  (36) It is. Missing ball according to formulas (34), (35) and (36)
Radius of curvature Rs1, Rs2Is determined, but the formula
In a0, A1, ATwo, Α1, ΑTwo, Θ, θ1, ΘTwoIs
The meridional curve has already been determined by the above method
Known for gs0Is given, the unknown is g
s1, Gs2, Rs1, Rs2Are four. Therefore 3 equations
There is a redundant degree of freedom for one of the unknowns
It is understood that can be set appropriately. For example, simple surface shape
Rs1Is always infinity and the right-hand side of (34)
If the second term is set to 0, the first surface is a surface that has no curvature in the sagittal direction.
become. Note that the initial spherical lack imaging distance gs0Is given arbitrarily
If the deflector is a rotating polygon mirror, gs0= 0 If so, the reflection point of the mirror surface and the scanning point become a conjugate image point.
A tilt correction function can be added. [0037] BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Lens-shaped constituent elements according to the present invention
An example in which the lens surface shape is calculated based on
The results are shown in Table 9 and FIGS. 5 to 12. As described above, the lens shape of the present invention is
Refractive index n of glass medium, initial imaging distance g0, The first of the lens
Position where the surface and the second surface intersect the optical axis1, XTwo, Optical axis length
XI, 6 parameters of scanning speed constant K
Can be changed vertically, and a set of values for one parameter
There is one lens shape for. So at first glance
There are a large number of examples that seem to be completely different shapes
Exist and it is impossible to list them all,
Here, only representative examples are shown. The calculation conditions common to the following embodiments are: -Refractive index of lens medium n = 1.486 .Optical axis length from deflection point to scanned plane XI= 200 mm ・ The deflector is deflected at a constant angular velocity by a rotating polygon mirror deflector. ・ Initial meridional imaging distance gm0Is infinite. That is, the scanning lens
The light beam before entering the lens is a parallel light beam. -Spherical section curvature is given only to the second surface. ・ Initial sphere missing image distance gs0Is 0. Therefore, the reflection of the rotating polygon mirror
The point and scanning point are conjugate image points, and the surface tilt correction function is added.
Have been. It is. The lens shape according to the present invention has a simple numerical value.
Or numerical expression, the result is obtained as a numerical example.
You. Therefore, for convenience, the curve shape on the meridian plane is well known.
Formula using the aspherical coefficient of x = (yTwo/ R) / [1 + √ {1- (y / R)Two}] +
ByFour+ Cy6+ Dy8+ EyTen : Where x is the optical axis and the origin is at the intersection of the plane and the optical axis.
X-coordinate value when , The radius of curvature of the spherical section of the second surface
Rs2about Rs2= Rs2 0+ AyTwo+ ByFour+ Cy6+ Dy8+ Ey
Ten Expressed by The error from the true shape when approximated in this way is
It is about 0.001% to 0.01%. In Table 1, Table 2 and Table 3, the first surface S1Meridian plane
Coefficient R indicating the upper curve shapem1, B1, C1, D1, E1
In Table 4, Table 5, and Table 6TwoOn the meridian plane of
Coefficient R indicating the shapem2, BTwo, CTwo, DTwo, ETwoThe table
7, Table 8 and Table 9 show the changes in the radius of curvature in the spherical section direction.
Number Rs 0, As, Bs, Cs, Ds, EsThe parameter
TA θe, X1, XTwoThe value calculated by changing is shown.
Where the effective deflection angle θeIs the scanning speed factor of the above formula (18).
It is a parameter used instead of several K, and the effective scan width is 20
If set to 0 mm, θe= 200 / K (rad) It is. X1, XTwoIs the first surface S as described above.1, Second
Surface STwoIs the position of the point that intersects the optical axis. In addition,
Parameter set θ under common calculation conditionse, X 1, X
TwoAre the same lens. In addition, some of the examples shown in the table
For the thing, an outline of the curved shape on the meridian plane and an optical path diagram
Both are shown in FIGS. 5 to 12. Dashi curve is the optical axis
Since it is symmetric with respect to, the opposite side of the optical axis is omitted.
The examples presented here all follow the principles of construction of the present invention.
Therefore, spherical aberration field curvature aberration and meridional field curvature aberration are completely removed.
The distortion characteristic is that the scanning point moves at a constant speed.
Is fully defined. However, perfection is an ideal state.
Therefore, for the actual lens shape, numerical calculation when calculating the shape
Due to errors or manufacturing errors, field curvature aberration and distortion characteristics
Some sexual aberration occurs. Of course there are those aberrations
There is a certain range of tolerance, and within that range, the scanning lens
Therefore, the present invention excludes them as well.
Not. [0044] [Table 1] [0045] [Table 2][0046] [Table 3] [0047] [Table 4][0048] [Table 5][0049] [Table 6] [0050] [Table 7] [0051] [Table 8][0052] [Table 9]FIG. 13 shows an example of the lens shape according to the present invention.
Overall image of optical system of laser beam printer using example
The perspective view showing is shown. Light emitted from the semiconductor laser 2
The bundle becomes a parallel light beam by the collimator lens 3 and
The cull lens 4 converges the light only in the direction of the sphere and rotates.
A linear image is formed near the mirror surface of the polygonal mirror deflector 6. Luminous flux
The polygonal mirror 5 is rotated to deflect the angular velocity in the meridian plane.
After passing through the scanning lens 1 according to the present invention,
An image is formed on the ram 7. Regarding the direction of ball loss,
The Lamb surface serves as a conjugate image forming point and forms a plane tilt correction system.
I have. The image point is formed by the scanning lens 1 of the present invention.
Scanning is performed at a constant speed in the axial direction of the frame 7 and the image is combined on a straight line without curvature
Image. The photosensitive drum is only one pitch per scan
By rotating and repeating it on the photosensitive drum
A latent image is formed. [0054] As described above, the optical scanning of the present invention
The device has a scanning lens so that the light flux moves at a constant speed on the scanned plane.
It has a moving distortion characteristic and is placed on the scanned plane.
The field curvature aberration of the luminous flux is zero or almost zero
Single lens made of plastic material with aspherical surfaces on both sides
Since it is a single lens, there is almost no aberration even with a single lens.
And a good image spot can be obtained, and the optical axis is long due to wide-angle deflection.
A scanning lens having a short length can be constructed. Also, the lens medium
As a quality, polymethylmethacrylate (PMMA),
Refraction compared to glass such as carbonate and polystyrene
Same as above, even if low-rate plastic material is used
It does not hinder the design for some reason and is injection molded.
Since it can be mass-produced by
Can be manufactured at low cost. Therefore, small size, low price, and high performance
The ability to provide a high-performance optical scanning device.
Have.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の光走査装置の概略の構成を示す原理図
である。 【図2】本発明のレンズ形状を構成する原理を説明する
ための原理図である。 【図3】本発明の走査用レンズが単玉両非球面レンズで
実現可能であることを説明するための原理図である。 【図4】本発明の走査用レンズの形状を算出する方法を
説明するための原理図である。 【図5】本発明のレンズ形状の1実施例を示した図であ
る。 【図6】本発明のレンズ形状の別の実施例を示した図で
ある。 【図7】本発明のレンズ形状の別の実施例を示した図で
ある。 【図8】本発明のレンズ形状の別の実施例を示した図で
ある。 【図9】本発明のレンズ形状の別の実施例を示した図で
ある。 【図10】本発明のレンズ形状の別の実施例を示した図
である。 【図11】本発明のレンズ形状の別の実施例を示した図
である。 【図12】本発明のレンズ形状の別の実施例を示した図
である。 【図13】本発明の光走査装置全体の実施例を示す斜視
図である。 【符号の説明】 1…走査用レンズ 2…半導体レーザー 5…多面鏡 6…回転多面鏡偏向器 7…被走査面(感光ドラム)
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a principle diagram showing a schematic configuration of an optical scanning device of the present invention. FIG. 2 is a principle diagram for explaining the principle of configuring the lens shape of the present invention. FIG. 3 is a principle diagram for explaining that the scanning lens of the present invention can be realized by a single-lens bi-aspherical lens. FIG. 4 is a principle diagram for explaining a method of calculating the shape of a scanning lens according to the present invention. FIG. 5 is a view showing one embodiment of a lens shape according to the present invention. FIG. 6 is a view showing another embodiment of the lens shape of the present invention. FIG. 7 is a view showing another embodiment of the lens shape of the present invention. FIG. 8 is a view showing another embodiment of the lens shape of the present invention. FIG. 9 is a view showing another embodiment of the lens shape of the present invention. FIG. 10 is a view showing another embodiment of the lens shape of the present invention. FIG. 11 is a view showing another embodiment of the lens shape of the present invention. FIG. 12 is a view showing another embodiment of the lens shape of the present invention. FIG. 13 is a perspective view showing an embodiment of the entire optical scanning device of the present invention. [Description of Signs] 1 ... Scanning lens 2 ... Semiconductor laser 5 ... Polygon mirror 6 ... Rotating polygon mirror deflector 7 ... Scanning surface (photosensitive drum)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.細い光束を出射する光源と、該光束を所定の方向に
偏向走査する偏向器と、該偏向器で偏向された光束を被
走査平面上に結像させる走査用レンズとを備え、前記走
査用レンズはプラスチック材料からなる単玉レンズで構
成され、前記偏向器の固有の回動特性で偏向された光束
が被走査平面上では等速で移動する歪み特性を有し、か
つ、被走査平面上の任意の位置における光束の子午方向
の像面湾曲収差を補正するように、子午平面内の両面の
形状が、両面の非円弧量が走査位置と結像点の2自由度
を拘束するように独立に定められた形の非円弧状に形成
され、さらに、球欠方向の像面湾曲収差を補正するよう
に、前記両面の少なくとも何れか一方の子午平面内での
非円弧曲線に沿った位置の球欠方向の曲率が子午方向の
曲率とは相関なく変化するように定められてなることを
特徴とする光走査装置。
(57) [Claims] The scanning lens includes a light source that emits a thin light beam, a deflector that deflects and scans the light beam in a predetermined direction, and a scanning lens that forms an image of the light beam deflected by the deflector on a scanning plane. Is a single-lens lens made of a plastic material , has a distortion characteristic that a light beam deflected by the peculiar rotation characteristic of the deflector moves at a constant speed on the scanned plane, and has a distortion characteristic on the scanned plane. In order to correct the field curvature aberration in the meridional direction of the light flux at any position, the shapes of both surfaces in the meridian plane are independent so that the non-arc amount of both surfaces constrains the two degrees of freedom between the scanning position and the image formation point. Is formed in a non-arc shape of the shape defined in, further, so as to correct the field curvature aberration in the sagittal direction, at a position along the non-arc curve in at least one of the meridional planes of the both surfaces. The curvature in the sagittal direction changes independently of the curvature in the meridian direction Optical scanning apparatus characterized by comprising stipulated in so that.
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