JP2984018B2 - 走査式光学装置の水平同期検出光学系 - Google Patents

走査式光学装置の水平同期検出光学系

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、レーザープリンター等の走査式光学装置
において、印字、描画等のレーザー出力開始タイミング
を決定する水平同期信号を検出するための光学系に関す
るものである。
[従来の技術及び発明が解決しようとする課題] レーザープリンター等の走査式光学装置は、描画開始
ポイントのタイミングを図るため、走査レンズを出射し
た光束を描画に用いる有効走査範囲の外で受光する受光
素子を有し、この受光素子からいわゆるBDパルスと呼ば
れる水平同期信号を出力するよう構成されている。
第9図は、従来の走査式光学装置の光学系を示したも
のである。図示せぬ光源からの光束は、ポリゴンミラー
1で反射、偏向され、fθレンズ2を介して図示せぬ感
光体面上に収束される。ミラー3は、有効走査範囲の外
側に設けられており、fθレンズを射出した光束を水平
同期信号検出用の受光素子4側へ反射させる。
受光素子4は、出力の立ち上がりをシャープにするた
めに、光束が最も収束する位置、すなわち像面と等価な
位置の近傍に配置されている。
しかしながら、第9図に示した構成ではfθレンズ2
から受光素子4までの光路が長すぎるため、光学系をコ
ンパクトにすることができない。そこで、この光路長を
短縮して光学装置のコンパクト化を図るための提案が従
来からなされている。
但し、単に受光素子をfθレンズに近付けるのみで
は、受光素子に入射する光束径が大きくなり、光量分布
の裾野の部分が広がるため、出力の立上りが鈍くなる。
これを防ぐためには、受光素子を光束が最も収束する位
置に配置するという構成を守る必要がある。
特開昭62−75612号公報、特開昭63−98624号公報、特
開昭63−173010号公報には、走査レンズと受光素子との
間の光路中に凸レンズや凹面鏡を設けることにより光路
長を短縮する技術が開示されている。
しかしながら、コンパクト化を目的として凸レンズや
凹面鏡を用いる場合には、以下のような問題がある。
第1に、fθレンズのパワーに凸レンズ等のパワーが
加えられるため、凸レンズ等が設けられていない場合と
比較して光束の収束の角度が大きくなる(Fナンバーが
小さくなる)。従って、受光素子の位置が僅かにずれて
も光束径が大きくなり、出力の立上りが鈍くなる。これ
を防止するためには、受光素子の組み付けに要求される
精度が厳しくなる。
第2に、凸レンズ等の倍率により光束の走査速度が遅
くなり、受光素子の出力の立ち上がりが鈍くなる。
受光素子の出力信号の立ち上がりが鈍い場合には、描
画開始タイミング決定の精度が悪くなる。
そこで、本願発明は、光学系をコンパクトにした場合
にも、受光素子の出力信号の立ち上がりが遅くなること
を防止するとともに描画開始タイミング決定の精度の低
下を抑制することのできる走査式光学装置の水平同期検
出光学系を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] この発明は、偏向器により偏向されると共に、走査レ
ンズにより収束される光束を有効走査範囲の外で受光す
る受光素子を有する走査式光学装置の水平同期検出光学
系において、該水平同期検出光学系は、前記受光素子が
受光する光束の径を、少なくとも主走査面内において縮
小するプリズム光学系を前記走査レンズと前記受光素子
との間に有することを特徴とする走査式光学装置の水平
同期検出光学系である。
[発明の原理] まず、この発明の原理を、従来のような凸レンズを用
いる方式と比較しつつ、図面に基づいて説明する。
第2図は、頂角Tのプリズムに径D1の光束を入射端面
の法線に対してθの角度で入射させた状態を示してい
る。
ここでプリズム入射前と出射後との光束のなす角度を
θ、出射光束の径をD2とすると、 θ=θ+T−sin−1{n・sin(θ+T−
α)} α=θ−sin−1(sinθ1/n) D2/D1={cos(θ−α)/cosθ}・ {cos(θ−θ−T)/cos(θ+T−α)} となる。プリズムは、屈折力を持たないアフォーカル光
学系であるため、角倍率βは、 β=D1/D2 となる。
角倍率βを有するので、収束光を入射させた場合には
射出径のみならず収束の度合も変化する。
従って、これによりレンズのようなパワーを有さない
にも拘らず、実質上収束点の位置を変化させることがで
きる。
第3図において、プリズム、レンズ等の素子が設けら
れていない場合の収束点Iまでの距離をXiとし、収束素
子が設けられた場合の収束点Sまでの距離をXsとする。
第3図(A)に示すように、収束素子としてプリズム
P(図中薄肉系で示す)を設けた場合、プリズムの角倍
率をm(m>1)とすると、 Xs=Xi/m2 が成り立つ。レンズL(図中薄肉系で示す)を用いて収
束点をSとするためには、第3図(B)に示すようにレ
ンズの焦点距離fは、 f=(Xi・Xs)/(Xi−Xs) となる。
収束点Iへ向かう光束のFナンバーをFiとすると、レ
ンズLを用いた場合(B)の収束点Sへ向かう光束のF
ナンバーFs′は、 Fs′=(Xs/Xi)・Fi となる。
一方、プリズムPを用いた場合(A)には、光束径自
体が小さくなるため、光束の収束角度がレンズの場合と
比較して小さくなり、収束点Sへ向かう光束のFナンバ
ーFsは、 となる。
ここで、Xs/Xi<1であるため、Fs>Fs′となり、プ
リズムを用いる系の方が光束のFナンバーを大きく、す
なわち光束の収束角度を小さくすることができる。
ところで、焦点深度dは、波長をλ、FナンバーをF
として、 d=K(λ・F2) (K:定数) で求められ、Fナンバーが大きいほど焦点深度は深くな
る。なお、ここでいう焦点深度とは、光束の最も収束さ
れる位置を中心とした光軸方向の範囲であって、光束の
径が受光素子から出力される信号のシャープな立ち上が
りを保証できる程度に小さい範囲をいう。この範囲は、
光束の収束角度が小さいほど、すなわち光束のFナンバ
ーが大きいほど広くなる。
従って、収束素子としてプリズムを用いることによ
り、レンズを用いる場合よりも焦点深度をかなり深くす
ることができ、受光素子の光軸方向の位置精度を緩和す
ることができる。
また、収束素子を設けない場合の収束点Iにおけるス
ポットの走査速度をViとすると、レンズLを設けた場合
の走査速度Vs′は、 Vs′=(Xs/Xi)・Vi となるが、プリズムPを設けた場合の走査速度Vsは、 となる。
前述したようにXs/Xi<1であるため、Vs>Vs′とな
り、収束素子としてプリズムPを用いることにより、レ
ンズLを用いる場合よりも受光素子を横切るスポットの
速度を高めることができる。従って、受光素子から検出
される水平同期信号の立ち上がりがシャープとなり、同
期信号の安定化を図ることができる。
また、プリズムの光束縮小率を大きくした場合、プリ
ズムを射出する光束径が小さくなっているので、凹レン
ズを併用するか、プリズムの面を凹面とすることによ
り、射出光を書走査面内で平行光とすれば、プリズム透
過後の光束上の任意の位置において径の小さい光束を受
光することができる。
[実施例] 次に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
《第1実施例》 第1図は、この発明に係る走査式光学装置の水平同期
検出光学系の第1実施例を示したものである。
この装置は、図示せぬ光源から発した光束をポリゴン
ミラー1によって反射、偏向させ、fθレンズ2を介し
て図示せぬ感光体面上に結像、走査させることにより感
光体面にパターンを形成する。ここで、ポリゴンミラー
により走査される光束を含む面を主走査面とする。
水平同期検出光学系は、有効走査域外に設けられたミ
ラー3と、このミラー3により反射された光束を受光す
る受光素子4と、ミラー3と受光素子4との間の光路中
に設けられ、主走査面内での収束点をfθレンズ側へ近
接させるプリズム5a,5bとから構成されている。
プリズム光学系を設けて収束点を近接させる場合、楔
型のプリズムを単独で設ける構成であると、光路が折曲
してしまう。そこで、この例では2つのプリズム5a,5b
を設けることにより、光路を折曲させずに収束点を近づ
ける構成としている。
第4図及び第5図は、第1図のプリズム光学系部分の
拡大図であり、第4図は第1図と同じ主走査面図、第5
図は主走査面に対して垂直な副走査面図である。
図中、I点はプリズム光学系を設けない場合の収束
点、S点はプリズム光学系を設けた場合の収束点を示し
ている。なお、プリズム光学系は主走査断面内でのみ角
倍率を有し、副走査断面内では平行平面の作用しかなさ
ない。
プリズム5a,5bの具体的な数値構成は、第1表に示す
とおりである。面番号は光束の入射する側から順につけ
られており、θは面の角度(光軸を法線とする平面に対
する角度)、dは光軸に沿った面間の距離及び空気間
隔、nは屈折率である。なお、角度は図中反時計回りを
正として設定している。
第4面から点Iまでの距離 50.0 倍率 1/1.35 第4面から点Sまでの距離 20.1 《第2実施例》 第6図及び第7図は、この発明の第2実施例を示した
ものである。
この例では光束を水平同期検出用の受光素子4へ反射
させる部分に頂角Tのプリズム6を設け、光束がプリズ
ム内を往復する構成としている。プリズム6の第1面は
光束が入出する屈折面であり、第2面はミラー3と一致
する反射面である。プリズム6の具体的な数値構成は以
下の通りである。
θ=−13.9゜ n=1.51072 T=−10゜ プリズム6の出射面から点Iまでの距離 188.2 倍率 1/1.27 プリズム6の出射面から点Sまでの距離 118.8 第7図は、上記の光学系を光路に沿って展開したもの
である。
受光素子4は、入射端面での正反射による走査レンズ
側へのゴースト光の戻りを防止するため、入射端面が入
射する光束の主光線に対して垂直とならないよう配置す
ることが望ましい。また、このように配置することによ
り、受光素子を横切るスポットの走査速度が実質上向上
し、同期信号の立ち上がりをシャープにすることができ
る。
特に、この発明によれば、検出光束の焦点深度が深い
ため、入射端面を傾斜させた場合にもデフォーカスによ
る性能劣化の影響が少ない。
上述した2つの実施例では、プリズム光学系による収
束を主走査方向にのみ作用させているため、受光素子上
ではスポットは副走査方向に長い線状となる。従って、
受光素子がスポットに対して副走査方向にずれた場合に
も水平同期信号を得ることができる。
但し、受光素子に達するレーザー光の強度が弱い場合
には、受光素子の手前側に副走査方向のみにパワーを有
するシリンドリカルレンズを配置すれば、エネルギーを
集中させることができる。シリンドリカルレンズは、ス
ポットの副走査方向の位置ズレを補正する機能をも発揮
する。
更に、上記のようにシリンドリカルレンズを独立して
設ける他、プリズムの面をシリンダー形状とすることに
よっても同様の効果を発揮させることができる。
《第3実施例》 第8図は、この発明にかかる水平同期信号検出光学系
の第3実施例を示したものである。この例では、プリズ
ム光学系部分の構成のみを説明する。他の構成は、第1
実施例と同様である。
プリズム7は、1/3.2の倍率を持つ単プリズムをベー
スとして、射出側の端面を主走査面内に曲率を持つ凹の
シリンダー面にしている。プリズム7の具体的な数値構
成は以下の通りである。なお、rはシリンダー面の曲率
半径である。
θ=0゜ d=5.00 n=1.51072 θ=40゜ r=80.9 プリズム7の出射面から点Iまでの距離 50.0 倍率 1/3.21 光束のフレ角 36.2゜ 上記構成によれば、プリズム7に入射する収束光束
は、平行光束として射出され、光束の径は1/3.4に変換
される。
例えば、FNo.100の走査光束が入射した場合には、プ
リズムを射出する光束は主走査面内での光束径160μm
の平行光束となり、収束しなくとも水平同期信号の検出
するには十分な径となる。従って、理論的には、受光素
子とプリズムとの距離が変化しても光束径が変化しない
こととなる。但し、実際には、回折による広がりがある
ためにほぼ平行とみなせる範囲には限りがあるが、第
1、第2実施例と比較すれば、受光位置の配置の自由度
が高くなる。
[効果] 以上説明したように、この発明によれば水平同期検出
用の光束の主走査面内における収束点を光源側に近付け
ることができ、装置全体のコンパクト化を図ることがで
きる。
また、収束点を近付けるために凸レンズ等の収束光学
素子を用いる場合と比較して光束のFナンバーを大きく
することができるため、光束の焦点深度を深くすること
ができると共に、受光素子を横切るスポットの走査速度
を向上させることができる。
従って、受光素子の組み付け誤差に対する許容範囲が
広いため、受光素子を収束点から多少ずれた位置に配置
しても実用上問題はなく、異なる走査ユニット間で部品
の共通化を図ることができる。
また、走査速度の低下がレンズを用いた場合よりも小
さいため、受光素子の出力の立ち上がりをシャープに保
つことができ、水平同期信号を安定させ、描画開始タイ
ミングの決定を正確にすることができる。
更に、プリズム光学系からの射出光を平行光束となる
よう構成すれば、プリズム光学系と受光素子との間隔を
任意に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明に係る走査式光学装置の水平同期検
出光学系の第1実施例を示す説明図である。 第2図は、プリズムによる光束の変化を示す説明図であ
る。 第3図は光束の収束の原理の説明図であり、(A)はプ
リズム光学系を用いた場合、(B)はレンズを用いた場
合をそれぞれ示している。 第4図は、第1図のプリズム光学系部分の主走査断面図
である。 第5図は、第1図のプリズム光学系部分の副走査断面図
である。 第6図は、この発明の水平同期信号検出光学系の第2実
施例を示す説明図である。 第7図は、第6図のプリズム部分の光路の展開図であ
る。 第8図は、この発明の水平同期信号検出光学系の第3実
施例を示すプリズム部分の説明図 第9図は、従来の走査式光学装置の光学系を示す説明図
である。 1……ポリゴンミラー 2……fθレンズ 3……ミラー 4……受光素子 5a,5b,6,7……プリズム

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】偏向器により偏向されると共に、走査レン
    ズにより収束される光束を有効走査範囲の外で受光する
    受光素子を有する走査式光学装置の水平同期検出光学系
    において、 該水平同期検出光学系は、前記受光素子が受光する光束
    の径を、少なくとも主走査面内において縮小するプリズ
    ム光学系を前記走査レンズと前記受光素子との間に有す
    ることを特徴とする走査式光学装置の水平同期検出光学
    系。
  2. 【請求項2】前記プリズム光学系は、入射光と射出光と
    の角度が一致するように複数のプリズム素子を組み合わ
    せて構成されていることを特徴とする請求項1の走査式
    光学装置の水平同期検出光学系。
  3. 【請求項3】走査レンズと受光素子との間に、ミラーが
    設けられていることを特徴とする請求項1の走査式光学
    装置の水平同期検出光学系。
  4. 【請求項4】前記プリズム光学系は、光束を入出射させ
    る屈折面と、裏面反射させる反射面とを有する単一のプ
    リズム素子で構成されることを特徴とする請求項1の走
    査式光学装置の水平同期検出光学系。
  5. 【請求項5】更に、前記受光素子が受光する光束の径
    を、前記主走査面と垂直な副走査面において縮小するシ
    リンドリカルレンズを有することを特徴とする請求項1
    の走査式光学装置の水平同期検出光学系。
  6. 【請求項6】前記受光素子は、入射光束の主光線に対し
    て傾斜して設けられていることを特徴とする請求項1の
    走査式光学装置の水平同期検出光学系。
  7. 【請求項7】前記プリズム光学系は、入射する収束光束
    を平行光束として射出させることを特徴とする請求項1
    の走査式光学装置の水平同期検出光学系。
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