JP3107252U - レーザースキャナーのｆΘレンズ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザースキャナーのfΘレンズ構造を提供する。
【解決手段】 主に一種レーザースキャナーのfΘレンズ構造で、該fΘレンズは金型射出成型方式を利用し、成型するプラスチックレンズで、かつその光学面はマルチセクションにより構成し、各セクションの光学面は各セクションの相対するレーザービームの異なる位置或いは角度に応じて異なる光学係数セットを具える。これにより高公差の組立て品質及び高効率の走査効果を達成し、公知のfΘレンズの各光学面が単一の係数セットのみを具えるという欠点を改善することができる。また二つの異なるセクションの光学面境界位置に対して発生しうる曲面断差はシュミレート式曲面修正及び光学シミュレーションにより先ず最良の平滑連続面を確定し、続いて超精密機械加工方式を利用し、マルチセクション光学面を具えたfΘレンズの成型金型を完成する。
【選択図】 図 14

Description

本考案は一種のレーザースキャナーのfΘレンズ構造に関する。特に一種のマルチセクション光学面（multi-sections optical surface）を具えたfΘレンズで、公知のfΘレンズの各光学面が単一係数セットだけを具える構造設計に取って代ることが可能で、高公差（high tolerance）の組立て品質及び高効率（high performance）の走査効果を達成するレーザースキャナーのfΘレンズ構造に係る。

公知のレーザービームプリンターLBP（Laser Beam Printer）の応用技術においては米国US5,128,795、US5,162,938、US5,329,399、US5,710,654、US5,757,533、US5,619,362、US5,721,631、US5,553,729、US5,111,219、US5,995,131、及び日本4-50908、日本5-45580など多数の特許がある。
これら構造において使用されるレーザースキャナーLSU（Laser Scanning Unit）モジュールの多くは高速回転（例えば40000/min）する四或いは六面のポリゴンミラー（polygon mirror）を利用し、レーザービームの走査動作（laser beam scanning）を制御するものである。
該公知のレーザースキャナー（LSU）1は図1、2、3に示すように、半導体レーザー10を光源としレーザービーム（laser beam）を発する。該レーザービームは先ず細孔（aperture）11を通り、次にコリメーター（collimator）12を通る。該コリメーター12により該レーザービームは平行なビームを形成し、平行なビームはさらに柱面鏡（cylindrical lens）13を通る。該柱面鏡13の主な作用は該平行なビームの副走査方向（sub-major scanning direction）Y軸上の幅を主走査方向（major scanning direction）X軸（矢印に示すように）の平行方向に沿わせ焦点を結び、線状イメージ（line image）（図3中では一点に集中している）を形成させることである。
また、高速回転可能なポリゴンミラー（polygon mirror）14を利用し、その上に均一に連続設置する多面反射面（鏡面）15をちょうど或いは上記線状イメージ（line image）の焦点位置に近いところに位置させる。該ポリゴンミラー14はレーザービームの投射方向を制御し、その上に連続する複数の反射面15は高速回転時において、該反射面15上のレーザービームが沿う主走査方向（X軸）の平行方向に入射することができ、これにより同一回転角速度（angular velocity）で斜めに偏り、fθレンズ16上に反射する。
該fθレンズ16はポリゴンミラー14傍らに設置し、図1に示すようにシングルエレメントレンズ構造(single-element scanning lens)、或いはダブルエレメントレンズ構造（US 5,995,131特許の図参照）とすることができ、該fθレンズ16は通常は該ポリゴンミラー14上の反射面15より入射するレーザービームを円形のライトスポット(circular light spot)に集約し、光レシーブ面（photoreceptor drum）17上において投射し、線性走査（scanning linearity）の要求を達成する。
上記公知のＬＳＵ1中のfΘレンズ16の実体構造は図2に示すfΘレンズ2で、その光学面の設計は以下の数種の方プログラム及びパラメーターの組合せを引用する。

上記設計方プログラム及びパラメーターにおいて公知のシングルエレメントfΘレンズ2の光学面21、22は共に単一の係数セットにより構成し、fΘレンズの第一光学面21及び第二光学面22はそれぞれ単一の係数セットにより構成する。このような設計により該第一、二光学面21、22は連続式光学面型（continuing surface profile）を呈するようになるが、使用においては様々な問題が存する。
特開２００１−１８３５７９号公報

公知構造には以下の欠点があった。
（1）fθレンズの主要機能は入射するレーザービームを円形のライトスポット（circular light spot）に集約し、線性走査（scanning linearity）方式で光レシーブ面（photoreceptor drum）上に投射するが、該円形のライトスポット（circular light spot）の画像形成要求は線性走査上において直径が30μmの円形のライトスポット、或いは少なくとも直径100μmの範囲内で円形のライトスポットを形成することが最も望ましい。しかし、公知のLSUの組立て型態（図1参照）では、ポリゴンミラー14の反射面15に投射し、反射してfΘレンズに入るレーザービームの中心軸は、明らかにポリゴンミラー14の中心回転軸に対応していない。そのため、相互に対応するfΘレンズを設計する時には、同時にポリゴンミラー14の離軸偏差（deviation）問題を考慮する必要がある。よって最良化したfΘレンズの光学面には非対称性本質（unsymmetrical characteristics）が存在する。

（2）fΘレンズの光学面は光学非対称性セクション（unsymmetrical optical field）を具え、線性走査（scanning linearity）要求を達成する必要もあるため、fΘレンズの設計困難度は非常に高い。そのため、公知のfΘレンズの光学面は単一係数セット設計である時にも、単一係数セット上において各種の妥協性或いは平衡性の修正を行い、これにより左、右非対称性セクションの光学面条件を実現する必要がある。しかし、これはfΘレンズの設計上の面倒を拡大するばかりでなく、妥協設計(Trade-off) 後の単一係数セットは同時に左、右非対称性セクションの光学面要求を高い程度で満たすことはできない。そのため、左、右非対称性セクションの光学効率は相対的に低下する。図5に示すように、単一係数セット設計のfΘレンズ2（図4参照）を利用し、光学シミュレーションを行うと、ポリゴンミラー23、多面反射面（鏡面）24、レーザービーム25及び光レシーブ面（photoreceptor drum）26はその単位距離において出現するライトスポット（light spot）27は多種の形状を形成し、円形のライトスポット(circular light spot)ではない。かつそのライトスポットも直径100μmの円の中心から離れており、直径100μmの円の範囲さえも超えてしまっている。すなわち、妥協後の単一係数セットの設計は既に左、右光学非対称性セクションの光学効率を相対的に低下させており、また相対的に低公差（tolerance）を形成し、組立ての困難度を増加している。
本考案は上記構造の問題点を解決したレーザースキャナーのfΘレンズ構造を提供するものである。

上記課題を解決するため、本考案は下記のレーザースキャナーのfΘレンズ構造を提供する。
それは主にレーザースキャナーのfΘレンズ構造で、それはfΘレンズの光学面（optical surface）をマルチセクション（multi-sections）に区分し構成し、かつ各セクションの光学面は各セクションが相対するレーザービームの異なる位置或いは角度に応じて異なる光学係数セット（coefficient set）を具え、
該二つの異なるセクションの光学面境界位置において発生しうる曲面断差に対して、先ずシミュレーション式曲面修正（curve fitting）及び光学シミュレーション（optical simulation）を行い、該二つの異なるセクションの光学面境界位置において最良の平滑連続面（continuing surface profile）を確定し、さらに超精密機械加工方式を利用し、マルチセクション光学面（multi-sections optical surface）を具えたfΘレンズ成型金型を製作し、金型射出成型により製造されたfΘレンズは予期の設計品質を実現することを特徴とするレーザースキャナーのfΘレンズ構造である。

すなわち本考案のレーザースキャナーのfΘレンズ構造は、請求項１に記載するように、
レーザースキャナーのfΘレンズで、成型金型を利用し、射出成型（injection molding）する一体式プラスチックレンズで、
該fΘレンズは二セクション（2-sections）或いは二セクション以上のマルチセクション（multi-sections）により構成され、かつ各セクションの光学面（optical surface）は各セクションが相対し入射するレーザービームの異なる位置或いは角度に応じて、異なる光学係数セット（coefficient set）により構成されることを特徴とする。

請求項２に記載するように、前記二つの異なるセクションの光学面境界位置に対して生じる曲面断差はシミュレーション式曲面修正（curve fitting）及び光学シミュレーション（optical simulation）を利用し、先ず最良の平滑連続面型（continuing surface profile）を確定し、続いて該最良の平滑連続面型により成型金型を製作することが好ましい。

請求項３に記載するように、前記fΘレンズは二セクション（2-sections）による構成であることが好ましい。
さらに請求項４に記載するように、前記fΘレンズは三セクション（3-sections）による構成であることが好ましい。

上記のように、本考案のfΘレンズ設計はマルチセクション光学面（multi-sections optical surface）を具えた構造で、公知のfΘレンズの各光学面が単一の係数セットのみを具えるという構造設計の問題を確実に克服可能である。さらに、本考案はfΘレンズ設計の困難度を低下させ、高効率（high performance）及び高公差（high tolerance）の走査効果を達成する。

本考案レーザースキャナーのfΘレンズはマルチセクション（multi-sections）により構成され、かつ各セクションの光学面（optical surface）は各セクションが相対的に入射するレーザービームの異なる位置或いは角度に応じて、異なる光学係数セット(coefficient set)を設置する。図6に示すように、該fΘレンズ3は分界線3aにより第一セクション31及び第二セクション32を含む二セクション（2-sections）に区分される。さらに図7に示すように、該fΘレンズ4は二分界線7により第一セクション41、第二セクション42及び第三セクション43を含む三セクション（3-sections）に区分される。これらから類推されるように、必要に応じてfΘ鏡をマルチセクション（multi-sections）に区分可能である。
本考案fΘレンズ上の各セクションの主要光学面（optical surface）は以下の通りである。すなわち、該fΘレンズ3上の光学面311、312、321、322は計四面光学面で、該fΘレンズ4上の光学面411、412、421、422、431、432は計六面光学面である。各セクション31、32（或いは41、42、43）は該fΘレンズ3（或いは4）上の異なる位置に基づき、また各セクション31、32（或いは41、42、43）が相対的に入射するレーザービームの異なる位置或いは角度に基づき、異なる光学係数セット（coefficient set）を具え、該fΘレンズ3或いは4上の異なるセクションの数個の光学面はそれぞれ最良の光学係数セットにより構成される。これにより、マルチセクションを具えた光学面（multi-sections optical surface）を形成されたfΘレンズ3或いは4は高公差（high tolerance）の組立て品質及び高効率（high performance）の走査効果を達成する。

さらに図8、9、10、11図に示すように、二セクション光学面（2-sections optical surface）を具えたfΘレンズ3を例に説明する。
第一セクション31及び第二セクション32の光学面は異なる光学係数セット（coefficient set）により構成され、該第一セクション31及び該第二セクション32の異なるセクションの光学面境界位置は異なる程度の曲面断差を生じる。その内、fΘレンズの端縁位置において生じる断差は図9或いは図11に示すように最大である。
該発生しうる断差5に対して先ずシミュレーション曲面修正（curve fitting）を行い、シミュレーション修正後の曲面にさらに光学シミュレーション（optical simulation）を行う。これにより最良の平滑連続面型（continuing surface profile）51を確定し、続いてデジタル制御（NC）プログラムによりカッタールート（SAG値）を設定するなどの超精密機械加工方式を利用し、マルチセクション光学面（multi-sections optical surface）を具えたfΘレンズ成型金型を完成する。こうして成型金型中の異なるセクションの光学面境界位置は最良の平滑連続面型（continuing surface profile） 具え、fΘレンズの金型射出成型（injection molding）の金型となる。

次に図12、13に示すように、二セクション光学面（2-sections optical surface）を具えたfΘレンズ3の各セクション光学面は第一セクションの光学面311、312及び第二セクションの光学面321、322を具え、それぞれ一組の係数セットにより構成し、図12に示すように四組の係数セットを具える。
その画像形成ライトスポットの品質は図13に示すように、左上方及び右下方に示す各五個の直径100μmの円が示すライトスポット81が本考案fΘレンズの画像形成品質である。左下方及び右上方に示す各四個の直径100μmの円が示すライトスポット82は公知のfΘレンズの画像形成品質である。両者間を比較すると、本考案のfΘレンズの画像形成ライトスポット品質は明らかに公知のfΘレンズより優れている。

さらに図14に示すように、本考案のマルチセクション光学面(multi-sections optical surface)を具えた構造のfΘレンズの製造工程は、以下の工程を含む。
先ず、fΘレンズのセクション数を2-sections〜n-sectionsまで設定し、第一セクション（section 1）、第二セクション（section 2）、 第nセクション（section n）などの各セクションに対してシミュレーションを行い、最良の係数セットを求める。こうして該セクションの光学面を構成する。
続いて二つの異なるセクションの光学面境界位置において発生しうる曲面断差に対して、シミュレーション式の曲面修正（curve fitting）及び光学シミュレーション（optical simulation）を利用し、二つの異なるセクションの光学面境界位置において最良の平滑連続面（continuing surface profile）を確定する。
次にデジタル制御（NC）プログラムによりカッタールート（SAG値）を設定し機械加工を行うなどの超精密機械加工方式を利用し、マルチセクション光学面（multi-sections optical surface）を具えたfΘレンズの成型金型を完成する。
さらに該fΘレンズ成型金型利用し、金型射出成型（injection molding）製造工程を経て、マルチセクション光学面（multi-sections optical surface）構造を具えたfΘレンズ量産する。

公知のレーザースキャナーモジュールの立体図である。 図1の光学ルートの上面図である。 図1の光学ルートの側面図である。 単一の係数セットだけを具える公知のfΘレンズの光学面の構造図である。 公知の単一係数セット設計を利用したfΘレンズの模擬実験におけるライトスポット（light spot）指示図である。 本考案の二セクション（2-sections）を具える光学面実施例のセクション区分指示図である。 本考案の三セクション（3-sections）を具える光学面実施例のセクション区分指示図である。 本考案の二セクション（2-sections）を具えた光学面実施例の構造上面図である。 図5中9-9位置における断面図である。 図5の構造側面図である。 図6中11-11位置における断面図である。 本考案の二セクション（2-sections）を具えた光学面のfΘレンズ実施例構造図である。 図7の模擬実験におけるライトスポット（light spot）指示図(及び未区分セクションのライトスポット比較)である。 本考案のマルチセクション光学面（multi-sections optical surface）を具えたfΘレンズの製造工程ブロックチャートである。

符号の説明

1 レーザースキャナー（LSU）
10 半導体レーザー
11 細孔
12 コリメーター（collimator）
13 柱面鏡（cylindrical lens）
14 ポリゴンミラー（polygon mirror）
15 反射面
16 fθレンズ
17 光レシーブ面
2 fΘレンズ
21 光学面
22 光学面
3 Θレンズ
4 Θレンズ
3a 分界線
7 分界線
31 セクション
32 セクション
41 セクション
42 セクション
43 セクション
311 光学面
312 光学面
321 光学面
322 光学面
411 光学面
412 光学面
421 光学面
422 光学面
431 光学面
432 光学面
5 断差
51 平滑連続面型（continuing surface profile）

Claims (4)

1. レーザースキャナーのfΘレンズで、成型金型を利用し、射出成型する一体式プラスチックレンズで、
   該fΘレンズは二セクション或いは二セクション以上のマルチセクションにより構成され、かつ各セクションの光学面は各セクションが相対し入射するレーザービームの異なる位置或いは角度に応じて、異なる光学係数セットにより構成されることを特徴とするレーザースキャナーのfΘレンズ構造。
2. 前記二つの異なるセクションの光学面境界位置に対して生じる曲面断差はシミュレーション式曲面修正及び光学シミュレーションを利用し、先ず最良の平滑連続面型を確定し、続いて該最良の平滑連続面型により成型金型を製作することを特徴とする請求項１記載のレーザースキャナーのfΘレンズ構造。
3. 前記fΘレンズは二セクションによる構成であることを特徴とする請求項１記載のレーザースキャナーのfΘレンズ構造。
4. 前記fΘレンズは三セクションによる構成であることを特徴とする請求項１記載のレーザースキャナーのfΘレンズ構造。

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