JP2873912B2

JP2873912B2 - ビーム整形光学系およびこれを備える光走査装置

Info

Publication number: JP2873912B2
Application number: JP15495594A
Authority: JP
Inventors: 雄二郎野村; 望井上; 高志 ▲浜▼; 球高田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-07-06
Filing date: 1994-07-06
Publication date: 1999-03-24
Anticipated expiration: 2014-03-24
Also published as: JPH0821951A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザープリンタ、ファ
クシミリなどの画像形成装置を構成する光走査装置に用
いられるビーム整形光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザを光源とするビーム整形光
学系に要求される光学特性としては、光源が単色点光源
で光軸近傍に位置するため球面収差の補正が最も重要で
ある。また、光学系の簡素化、反射等による光量損失を
防ぐ上から、レンズの構成枚数ができるだけ少ないビー
ム整形光学系が望ましい。

【０００３】従来、このような目的で発明されたビーム
整形光学系としては特開昭５８−１４１０９号、特開昭
６１−２７３５２０号等の公報を挙げることができる。
これら公報のビーム整形光学系は２枚の球面レンズで構
成され、良好な収差補正がなされている。

【０００４】一方、特開昭６０−１２１４１２号、特開
昭６１−１４７２１２号等に開示されるように非球面を
用いた単レンズが種々提案されている。これらのビーム
整形光学では非球面形状を有する単レンズを用いること
により光学系の簡素化と高精度を同時に実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２枚の
レンズで構成される従来例は、安価とは云えず、２枚の
レンズの光軸を高精度に心出し調整しなければならばい
という問題もある。一方、非球面を用いた単レンズで構
成される従来例は、単レンズの材質にプラスチックを用
いた場合、安価に製造が可能となるものの、温度変化に
対する屈折率の変動および形状の変化が大きく動的にフ
ォーカシング調整を行わないビーム整形光学系に用いる
のは実用上困難である。また、単レンズの材質にガラス
を用いた場合は高精度で安定した光学特性が得られるも
のの、製造方法に通常の球面レンズとは異なるガラスモ
ールドを用いる必要があるため、球面レンズに比べどう
してもコスト高となってしまう。

【０００６】さらに、上述の従来例はいずれも単色光源
から平行ビームを得るために発明されたビーム整形光学
系である。

【０００７】ところで、光走査装置の低価格化、小型化
を図るためには、ｆθレンズ系に面の自由度を容易に高
くできるプラスチックレンズを用いてレンズ枚数を削減
するのが有効であり、近年、金型加工技術の進歩よって
このようなプラスチックレンズの金型を高精度に加工す
ることが可能となり、プラスチックレンズを用いたｆθ
レンズ系が実用化されつつある。このようなプラスチッ
クレンズでは温度変化による屈折率変動の光学特性への
影響を小さくするため光学パワーを小さくするのが一般
的である。このためにビーム整形光学系の光学パワーを
大きくし、ビーム整形光学系から射出するビームを集束
ビームにする要求が高まりつつある。このような有限系
のビーム整形光学系では、ビーム整形レンズを射出する
ビームの結像位置を高精度にする必要があり、このため
ビーム整形レンズの位置決めが重要となる。また、有限
系のビーム整形光学系において像面でのビーム径に影響
する開口数を高精度にするためには、絞りの大きさだけ
でなく絞りの位置も高精度にしなければならない。

【０００８】このように、走査光学系がプラスチック化
されて低価格化が進むなかで、これに用いられるビーム
整形光学系が割高となり、ビーム整形光学系にも更なる
低価格化が要求されている。

【０００９】また、近年、光走査の高解像度化が進む中
で走査光学系においては偏光器の偏光面数を増やすなど
走査が高効率化がされ、また感光体も高感度のものが実
用化されてきており、被走査面上に入射するビームの露
光エネルギーは少なくて済むようになってきた。このた
め、ビーム整形光学系においては開口数を小さくするこ
とが可能となってきている。また、光走査装置の小型化
が進む中でｆθレンズ系の焦点距離は短くなる傾向があ
る。このため光走査装置全体の光学倍率は低くなり、ビ
ーム整形光学系に要求される光学性能は緩くなる傾向に
ある。

【００１０】以上述べてきたように、近年のビーム整形
光学系の特性としてはビーム整形光学系から射出するビ
ームが集束ビームである有限系であって、光学性能は多
少緩くしても低コストなものが要求されている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、単色光源から
集束ビームを得るための半導体レーザ用のビーム整形光
学系において、前記ビーム整形光学系は単レンズを用い
て構成され、かつ前記単レンズの一方の光学面が平面、
他方の光学面が凸球面を有し、以下の条件を満たすこと
を特徴とするビーム整形光学系である。ＮＡ≦０．１ｎ≧１．６５ただし、ＮＡは前記ビーム整形光学系の開口数を、ｎは
前記単レンズの屈折率を示す。

【００１２】また、単レンズはビーム入射面が平面であ
り、ビーム射出面が凸球面であることが望ましい。

【００１３】

【００１４】

【００１５】さらに、前記単レンズの平面と接するよう
に絞りを設けることが好ましい。

【００１６】

【作用】請求項１記載の発明においては、単レンズ（以
下ビーム整形レンズと呼ぶ）の一方の光学面が平面、他
方の光学面が凸球面を有する構成によれば、ビーム整形
レンズの平面を基準面としてビーム整形レンズを保持す
る鏡筒に位置決めされる。また、ビーム整形レンズは平
面と凸球面で構成されるため材質にガラスを用いても高
い面精度が容易に得られる研磨により製造可能となる。
さらに、近年、走査光学系における走査の効率化、感光
体の高感度化により被走査面で必要とされる露光エネル
ギーは小さくなり、ＮＡは０．１あれば必要露光エネル
ギーを確保できるようになってきた。また、ビーム整形
レンズの屈折率ｎを大きくすることにより同じ光学パワ
ーを得るのに必要な凸球面の曲率半径は大きくなって球
面収差は小さくなる。そこで、請求項１記載の発明にお
いては、ビーム整形光学系のＮＡとビーム整形レンズの
屈折率ｎが次のような条件のとき、ビーム整形光学系の
球面収差量はビーム整形光学系の焦点距離を１として
０．０１以下となり、走査光学系用ビーム整形光学系と
して十分な光学特性が得られる。ＮＡ≦０．１ｎ≧１．６５

【００１７】また、請求項２記載の発明においては、走
査光学系に用いられるビーム整形光学系では有限系であ
っても、光源からビーム整形レンズの前側主点までの距
離とビーム整形レンズの後側主点からビーム整形レンズ
から射出するビームが結像する点までの距離を比較する
と後者の方が十分長い。したがって、本発明のようにビ
ーム整形レンズの入射面あるいは射出面のどちらか一方
を平面に構成する場合、入射面を平面にした方が平面に
よるビームの屈折作用は大きくなり平面では球面収差は
発生しないためビーム整形レンズの球面収差は小さくな
る。

【００１８】

【００１９】さらに、ビーム整形光学系を射出するビー
ムが集束ビームであるビーム整形光学系では絞りの大き
さだけでなく絞りの位置によっても開口数が変動してし
まうが、本発明の請求項３記載の構成によればビーム整
形レンズの平面と接するように絞りを設けることで、絞
りはビーム整形レンズに対して高精度に位置決めされ、
開口数は高精度となる。

【００２０】

【実施例】本発明の実施例について以下に詳述する。図
１は本発明のビーム整形光学系の概念を示したもので、
単色光源Ｓ₀、ビーム整形レンズ１、カバーガラス２か
ら構成される。半導体レーザなどの単色光源Ｓ₀から射
出したビームはビーム整形レンズ１の入射面Ｓ₁から入
射、射出面Ｓ₂から射出し、結像点Ｓ₃に結像する集束ビ
ームに整形される。ビーム整形レンズ１の入射面Ｓ₁は
平面、射出面Ｓ₂は凸球面で構成されている。ビーム整
形レンズの入射面Ｓ₁を凸球面、射出面Ｓ₂を平面で構成
することも可能であるが、入射面Ｓ₁を平面にした方が
ビーム整形レンズ１で発生する球面収差を小さくできる
ため望ましい。

【００２１】ビーム整形レンズの材質としては、光学特
性が安定しているのでガラスを用いるのが好ましいが、
低価格化のためにプラスチックを用いることもできる。
このように本発明のビーム整形光学系では非球面を用い
ない球面単レンズで構成され、しかも入射面が平面であ
るため、高い面精度が容易に得られ構成が簡素なビーム
整形光学系を極めて低価格に提供することができる。そ
して、このビーム整形光学系を用いて光走査装置を構成
すれば、高性能の光学特性を有する光走査装置を簡単・
低コストに得ることができる。

【００２２】このようなことが可能となったのは以下の
ような技術的背景のためである。

【００２３】近年、光走査の高解像度化が進む中で印字
速度を一定に保つため走査光学系には偏向器の偏向面数
を増やすなど走査が効率化され、かつ感光体も従来品に
比べ２倍や４倍の感度のものが製品化されており、被走
査面上に入射するビームの露光エネルギーは少なくて済
むようになってきた。このため、ビーム整形光学系の開
口数ＮＡは従来０．１〜０．２必要だったものが、０．
１以下でも必要な露光エネルギーを確保できるようにな
ってきた。

【００２４】また、光走査装置の小型化が進む中で従来
は３００ｍｍ程度であった偏光器から被走査面までの距
離が高自由度のプラスチックレンズを用いたｆθレンズ
系では１５０ｍｍ近くに短くなってきている。このため
光走査装置全体の光学倍率は半分程度に低くなり、ビー
ム整形光学系に要求される球面収差の許容量は焦点距離
を１とした場合０．０１程度と大きくなってきている。

【００２５】本発明のビーム整形光学系では、入射面が
平面でベンディングが不可能なので球面収差を減少させ
るにはビーム整形レンズ１の屈折率ｎを大きくし、凸球
面Ｓ₂の曲率半径を大きくするのが有効である。図２は
ビーム整形レンズの屈折率の許容量を設定するため屈折
率と球面収差の関係を計算した結果である。計算に用い
たビーム整形光学系はビーム入射面が平面である平凸単
レンズからなり、各光学諸元は焦点距離ｆ＝１．０、Ｎ
Ａ＝０．１、射出面から射出ビームの近軸結像点までの
距離が１６．３７５である。グラフの横軸はビーム整形
レンズの屈折率を縦軸は球面収差の絶対値の最大値を示
す。図からビーム整形レンズの屈折率が１．６５以上で
あれば球面収差の絶対値の最大値を０．０１以下にでき
ることが解る。従って本発明のビーム整形レンズの屈折
率の許容量を以下のように設定した。

【００２６】ｎ ≧ １．６５次に本発明の具体的な構成を図３のビーム整形光学系の
断面図により説明する。ビーム整形レンズ１は鏡筒４の
内部に嵌合され、鏡筒４内部に設けられた円盤上の突起
４ａにビーム整形レンズ１の入射面Ｓ₁が押し付けられ
て光軸方向に位置決めされる。単色光源である半導体レ
ーザー３はレーザ取付部材５を介して鏡筒４に取り付け
られている。鏡筒４内部の円盤上の突起４ａは絞りも兼
ねており半導体レーザ３からの光束を絞る。

【００２７】射出するビームが集束ビームであるビーム
整形光学系では、射出ビームの結像点が所定位置となる
ように光源とビーム整形レンズの相対距離を高精度にし
なければならないが、開口数も所定の値にするためには
ビーム整形レンズの光軸方向の位置決めが特に重要とな
る。本発明のビーム整形光学系ではビーム整形レンズ１
の入射面Ｓ₁が平面であるため、鏡筒４内部の突起４ａ
に入射面Ｓ₁を押し付けることにより容易に高精度な光
軸方向の位置決めが可能となるばかりでなく、入射面Ｓ
₁の倒れ精度も鏡筒に対して高精度にすることができビ
ーム整形レンズの倒れ精度も向上させることができる。

【００２８】さらに、平行ビームを射出するビーム整形
光学系では通常絞りは射出後のビームに対して設けら
れ、射出ビームが平行ビームであるため絞りの光軸方向
の位置は光学特性に影響がなく、絞りを光軸方向に位置
決めする必要はないが、集束ビームを射出するビーム整
形光学系では絞りの位置が入射側、射出側のいずれにあ
っても絞り位置を高精度に位置決めしなければ所定の開
口数を得ることができない。本発明のビーム整形光学系
ではビーム整形レンズ１の入射面Ｓ₁が平面であるため
容易に入射面Ｓ₁に密着する絞りを設けることができ、
ビーム整形レンズ１に対して絞り位置を高精度に位置決
めすることができる。また、ビーム整形レンズ１の位置
決め部材４ａが絞りを兼ねるため別部材の絞りを設ける
必要がなく光学系の低価格化を図ることができる。

【００２９】以下に、本発明のビーム整形光学系の設計
例を示す。本発明のビーム整形レンズは有限系であるた
め光源からの軸上間隔も含めて示し、表中の記号は以下
の光学諸元を示す。

【００３０】ｒ₁、ｒ₂：ビーム整形レンズ入射面Ｓ₁お
よび射出面Ｓ₂の曲率半径ｄ₀、ｄ₁：光源Ｓ₀、ビーム整形レンズ入射面、射出面
の軸上間隔ｎ：ビーム整形レンズの波長７８０ｎｍに対する屈折率ｆ：ビーム整形光学系の焦点距離ｄ_c：光源とビーム整形光学系の間に光軸と垂直に挿入
されているカバーガラスの厚み（屈折率1.51119）の厚
み（設計例１）

【００３１】

【表１】

【００３２】図４に本設計例のビーム整形光学系の収差
図を示す。

【００３３】（設計例２）

【００３４】

【表２】

【００３５】図５に本設計例のビーム整形光学系の収差
図を示す。

【００３６】（設計例３）

【００３７】

【表３】

【００３８】図６に本設計例のビーム整形光学系の収差
図を示す。

【００３９】以上の実施例はビーム整形レンズのビーム
射出面Ｓ₂が凸球面の場合について説明したが、ビーム
射出面Ｓ₂を凸となる非球面形状とすることによりさら
に光学特性を向上させることもできる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、一方の光学面が平面、他方の光学面が凸球
面を有するビーム整形レンズで構成することによって、
高い面精度が容易に得られ、簡素で極めて安価なブラス
チツクレンズを用いたｆθレンズ系に対応するビーム整
形光学系を提供することができる。さらにビーム整形レ
ンズの一方が平面であるため、この平面を基準面として
ビーム整形レンズを高精度に位置決めすることが可能と
なり、高精度なビーム整形光学系を構成することができ
る。そして、請求項１記載の発明によれば、ビーム整形
光学系の開口数ＮＡとビーム整形レンズの屈折率ｎと
を、所定の条件を満たすように構成することにより、光
学特性が向上し、走査光学系に用いられるビーム整形光
学系として十分な光学特性を得ることができる。

【００４１】また、請求項２記載の発明によれば、ビー
ム整形レンズの入射面を平面で構成することによりビー
ム整形レンズの球面収差を小さくし、光学特性を向上さ
せることができる。

【００４２】

【００４３】さらに、請求項３記載の発明によれば、ビ
ーム整杉レンズの平面と接するように絞りを設けること
により、絞り位置をビーム整形レンズに対して高精度に
位置決めすることが可能となるばかりでなく、絞りが位
置決め部材を兼ねるため、開口数が一定でさらに安価な
ビーム整形光学系を構成することができる。

【００４４】そして、このようなビーム整形光学系を用
いることにより、優れた光学性能を有する光走査装置を
小型・低コストで実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のビーム整形光学系の概念図。

【図２】本発明のビーム整形光学系の断面図。

【図３】屈折率と球面収差の関係を示す図。

【図４】設計例１の収差図。

【図５】設計例２の収差図。

【図６】設計例３の収差図。

【符号の説明】

１ビーム整形レンズ２カバーガラス３半導体レーザ４鏡筒４ａ突起５レーザ取付部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高田球長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内 (56)参考文献特開昭60−225816（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−192006（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 9/02 G02B 26/10 G02B 27/09

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】単色光源から集束ビームを得るための半
導体レーザ用のビーム整形光学系において、前記ビーム
整形光学系は単レンズを用いて構成され、かつ前記単レ
ンズの一方の光学面が平面、他方の光学面が凸球面を有
し、以下の条件を満たすことを特徴とするビーム整形光
学系。ＮＡ≦０．１ｎ≧１．６５ただし、ＮＡは前記ビーム整形光学系の開口数を、ｎは
前記単レンズの屈折率を示す。
【請求項２】前記単レンズはビーム入射面が平面であ
り、ビーム射出面が凸球面であることを特徴とする請求
項１記載のビーム整形光学系。
【請求項３】前記単レンズの平面と接するように絞り
を設けたことを特徴とする請求項１記載のビーム整形光
学系。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載のビーム
整形光学系を備えることを特徴とする光走査装置。