JP3132047B2

JP3132047B2 - 光ビーム走査光学系

Info

Publication number: JP3132047B2
Application number: JP03158489A
Authority: JP
Inventors: 弘中村
Original assignee: ミノルタ株式会社
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 2001-02-05
Anticipated expiration: 2016-02-05
Also published as: JPH055848A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ビーム走査光学系、
特にレーザビーム・プリンタやファクシミリ等に組み込
まれ、画像情報を乗せた光束を記録媒体上に集光させる
光ビーム走査光学系の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザビーム・プリンタやファ
クシミリで使用されている光ビーム走査光学系は、基本
的には、光源としての半導体レーザ、ポリゴンミラー、
ガルバノミラー等の偏向器、ｆθレンズにより構成され
ている。偏向器は半導体レーザから発せられた光束を等
角速度で走査するものであり、そのままでは集光面で主
走査方向中心部から両端部にわたって走査速度に差を生
じ、良質な画像が得られない。ｆθレンズは、このよう
な走査速度差を補正するために設置されている。しか
し、ｆθレンズは種々の凹レンズ、凸レンズ等を組み合
わせたものであり、レンズ設計が極めて複雑で、研摩面
数が多くて加工上の精度向上が図り難く、高価でもあ
る。しかも、透光性の良好な材質を選択しなければなら
ないという材質面からの制約もある。

【０００３】そのため、本出願人は、高価で制約の多い
ｆθレンズに代えて、加工が容易で加工精度を高めるこ
とができる球面ミラーを採用し、光学系のコンパクト化
を図り、なおかつ集光点での光束の主走査方向に垂直な
像面の湾曲を小さくすると共に、偏向器の面倒れ誤差を
補正することのできる光学系を提案した（特開平１−２
００２２１号公報、同１−２００２２２号公報等参
照）。

【０００４】しかし、記録サイズが大きくなると、球面
ミラーも大型のものが必要となり、例えばＡ３サイズに
対しては２５０〜２８０ｍｍ程度の長さの球面ミラーが
必要となる。そして、球面ミラーはサイズが大きくなる
と、広範囲にわたって面精度を確保することが困難にな
ると共に、冷却時間の確保のために成形サイクルが長く
なり、結果的にコストが上昇する。

【０００５】

【発明の目的、構成、作用】そこで、本発明の目的は、
ミラーをこれ以上大型化することなく大サイズの画面を
走査でき、かつ、偏向器の面倒れ誤差、歪曲収差、像面
湾曲を効果的に補正できる光ビーム走査光学系を提供す
ることにある。

【０００６】以上の目的を達成するため、本発明に係る
光ビーム走査光学系は、光束を発生する光源と、光源か
ら放射された発散光束を平行光かそれに近い発散光に修
正する光学手段と、光学手段から出射された光束を等角
速度で走査する偏向器と、偏向器で走査された光束を入
射方向に対して斜め方向に折り返して記録媒体上に集光
させる主走査方向にパワーを有するミラーと、偏向器と
ミラーとの間に配置され、主走査方向の形状がメニスカ
スであってかつ正のパワーを有するトーリックレンズと
を備え、前記ミラーの反射面及びトーリックレンズの面
の形状は副走査方向に関して非対称であることを特徴と
する。前記ミラーは球面ミラーであることが好ましい。

【０００７】メニスカスレンズは、例えば、入射面又は
出射面の少なくとも一方がトロイダル面で構成され、他
の面は球面又はシリンドリカル面で構成されたトーリッ
クレンズをいう。トロイダル面とは二つの主経線がそれ
ぞれ異った曲率中心を有する面をいう。

【０００８】以上の構成において、光源から放射された
発散光束は光学手段（例えば、コリメータレンズ）によ
って平行光がそれに近い発散光に修正され、偏向器によ
って等角速度に走査される。この走査光束はトーリック
レンズを透過した後、ミラーで反射され、記録媒体上に
集光する。前記偏向器による主走査及び記録媒体の移動
による副走査で画像が形成される。そして、ミラーによ
る反射光束は主走査方向に対する走査速度を走査域中心
からその両端部にわたって均等となるように補正され、
かつ、集光面においては広画角にわたって良好な歪曲特
性と、良好な像面平坦性が得られる。

【０００９】また、トーリックレンズは、主走査方向及
び副走査方向の像面湾曲を補正し、かつ、偏向器の面倒
れ誤差を補正する機能を有する。即ち、記録サイズが大
きくなると、主走査方向にパワーを有するミラーを大型
化せざるを得ないが、ミラーの配置を偏向器側へ寄せれ
ば、ミラーを大きくする必要はない。この場合、負の歪
曲収差及び凸の像面湾曲が増大するが、トーリックレン
ズが主走査方向において正のパワーを有することによ
り、ミラーへの入射光束の収束度がコントロールされ、
前記歪曲収差、像面湾曲の増大が防止される。

【００１０】また、光源から放射された発散光束を光学
手段で平行光かそれに近い発散光に修正するのは、ミラ
ーから記録媒体までの距離を大きくとるためである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明に係る光ビーム走査光学系の実
施例につき、添付図面を参照して説明する。

【００１２】図１は第１実施例を示し、１は半導体レー
ザ、２はコリメータレンズ、３はシリンドリカルレン
ズ、１０はポリゴンミラー、１５はトーリックレンズ、
２０は球面ミラー、２６は平面ミラー、３０はドラム状
の感光体である。

【００１３】半導体レーザ１は図示しない制御回路によ
って強度変調（オン、オフ）され、画像情報を乗せた発
散光束を放射する。この発散光束はコリメータレンズ６
を透過することにより所定の発散光に修正される。さら
に、この発散光束はシリンドリカルレンズ３を通過する
ことにより走査方向に、即ち、以下のポリゴンミラー１
０の反射面付近に（偏向面内の）直線状に収束される。
ポリゴンミラー１０は図示しないモータにて支軸１１を
中心に矢印ａ方向に一定速度で回転駆動される。従っ
て、シリンドリカルレンズ３から射出された発散光束
は、ポリゴンミラー１０の面で連続的に反射され、等角
速度で走査される。この走査光束はトーリックレンズ１
５を透過した後、球面ミラー２０の凹面側にて入射方向
に対して斜め方向に反射され、さらに、平面ミラー２６
で反射された後、感光体ドラム３０上に集光される。こ
のときの集光光束は感光体ドラム３０の軸方向に等速で
走査され、これを主走査と称する。また、感光体ドラム
３０は矢印ｂ方向に一定速度で回転駆動され、この回転
による走査を副走査と称する。

【００１４】ここで、トーリックレンズ１５は、主走査
方向の形状がメニスカスであってかつ正のパワーを有す
るトーリックレンズであり、具体的には、入射側又は出
射側のいずれか一方の面がトロイダル面で他方の面が球
面又はシリンドリカル面であるレンズをいう。トロイダ
ル面とは二つの主経線がそれぞれ異なった曲率中心を有
する面をいう。

【００１５】具体的には、トーリックレンズ１５は、入
射面をトロイダル面とし、出射面である球面を副走査方
向に一定量偏心させたものである。球面を副走査方向に
偏心させたのは、球面ミラー２０での入射光と反射光を
分離させ、ビームスプリッタを用いなくても、直接ある
いは平面ミラー２６を介して感光体ドラム３０上に集光
させるためである。

【００１６】以上の構成からなる第１実施例において
は、半導体レーザ１の強度変調と前記主走査、副走査と
によって感光体ドラム３０上に画像（静電潜像）が形成
される。そして、球面ミラー２０が従来のｆθレンズに
代わって、トーリックレンズ１５と共に主走査方向に対
する走査速度を走査域中心からその両端部にわたって均
等となるように（歪曲収差を）補正すると共に、感光体
ドラム３０上での主走査方向の像面湾曲を補正する。

【００１７】また、ポリゴンミラー１０からの反射光路
中に設置したトーリックレンズ１５のトロイダル面は、
ポリゴンミラー１０の面倒れ誤差を補正すると共に、感
光体ドラム３０上での副走査方向の像面湾曲を補正す
る。即ち、ポリゴンミラー１０の各反射面相互に垂直度
の誤差が生じていると、感光体ドラム３０上での走査線
が副走査方向にずれを生じ、画像にピッチむらが発生す
る。この面倒れ誤差はポリゴンミラー１０による偏向面
に垂直な断面においてポリゴンミラー１０の各反射面と
感光体ドラム３０の集光面とを共役関係に設定すれば補
正することができる。

【００１８】本第１実施例では、シリンドリカルレンズ
３によって光束をポリゴンミラー１０に集光する一方、
トーリックレンズ１５のトロイダル面によってポリゴン
ミラー１０の各反射面と集光面とが共役関係を保持する
ようにしている。一方、トーリックレンズ１５の球面
は、主として主走査方向の像面湾曲を補正すると共に、
歪曲収差の補正を行う。

【００１９】さらに、トーリックレンズ１５はポリゴン
ミラー１０による偏向面に垂直な断面の光束による像面
を平坦にする（副走査方向の像面湾曲を補正する）た
め、偏向面内における曲率半径を適切な値とし（以下の
実験例におけるＲ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄参照）、かつ、入射
面と出射面とを主走査方向に偏心（図２中Ｙ方向へのＹ
₁，Ｙ₂の偏心）させることが好ましい。この偏心によっ
て、像面湾曲、歪曲収差が主走査方向の中心点から左右
に対象でない場合、左右のバランスを是正する。その結
果、全体的な湾曲、収差が低減する。同様の効果は、球
面ミラー２０をも主走査方向に偏心（図２中Ｙ_Mの偏
心）させることによっても達成される。偏心量Ｙ₁，
Ｙ₂，Ｙ_Mの具体例は、以下の実験例１に示す。

【００２０】また、第１実施例では、コリメータレンズ
２によって半導体レーザ１から放射された発散光束を平
行光かそれに近い発散光に修正している。これは、後述
するように、ポリゴンミラー１０の偏向点１０ａから球
面ミラー２０までの距離ｄと球面ミラー２０から感光体
までの距離ｄ’との比ｄ／ｄ’を小さくして主走査方向
の画角を大きくとるため、即ち記録サイズを大きくとる
ためである。

【００２１】ところで、第１実施例において、球面ミラ
ー２０は副走査方向にＺ_Mだけ偏心して配置されてい
る。これは、光束を入射とは異なった方向へ反射させる
ためである。光束が入射と同じ方向へ反射されると、こ
の反射光を感光体ドラム３０へ導くにはビームスプリッ
タ等の半透光手段を必要とする。しかし、半透光手段
は、設計、加工共に困難であり、光量の減衰も大きい。
そこで、第１実施例では、球面ミラー２０を副走査方向
にＺ_Mだけ偏心させて出射光路を入射光路とは異なった
方向に折り返し、半透光手段を省略することとした。

【００２２】但し、球面ミラー２０のみをＺ方向に偏心
させると、集光面での走査線が湾曲する。これを打ち消
して走査線を直線とするため、図３に示すようにトーリ
ックレンズ１５の出射面（球面）を入射面（トロイダル
面）に対してＺ方向に角度θｙ１だけ偏心させた。この
場合、トロイダル面はその母線がシリンドリカルレンズ
３の母線と一致し、集光面において主走査方向全域にわ
たって良好なビームスポット形状が保障される。偏心量
Ｚ_M，θｙ１の具体例は、以下の実験例１に示す。

【００２３】さらに、第１実施例につき、詳述すると、
図２に示すように、ポリゴンミラー１０の偏向点１０ａ
から球面ミラー２０までの距離ｄと球面ミラー２０から
感光体までの距離ｄ’との関係、距離ｄと球面ミラー２
０の曲率半径Ｒ_Mとの関係については、それぞれ、以下
の式（１），（２）を満足することが好ましい。

【００２４】｜ｄ／ｄ’｜＜０．７ …（１）０．１５＜｜ｄ／Ｒ_M｜＜０．４５ …（２）

【００２５】なお、図２において、ｄ₀は偏向点１０ａ
からトーリックレンズ１５の入射面までの距離、ｄ₁は
トーリックレンズ１５の芯厚、ｄ₂はトーリックレンズ
１５の出射面から球面ミラー２０までの距離である。ま
た、ｓは物点、即ち、偏向点１０ａからコリメータレン
ズ２によって光束が集光する位置（背後に光学素子が存
在しないと仮定した場合）までの距離である。

【００２６】前記の式（１），（２）を満足すると、広
画角にわたって良好な歪曲特性と、良好な像面平坦性が
得られる。各式での下限及び上限は、感光体ドラム３０
上での画像歪みの程度により経験上許容できる範囲とし
て設定した値である。

【００２７】前記式（１）の上限を越えると、球面ミラ
ー２０が大型化し、球面精度等を確保することが困難と
なる。

【００２８】前記式（２）の下限を越えると（物点を小
さくすると）、走査角の増大に従って正の歪曲が増大す
ると共に、凸の像面湾曲が増大する。また、前記式
（２）の上限を越えると（物点を大きくすると）、走査
角の増大に従って負の歪曲が増大すると共に、凹の像面
湾曲が増大する。

【００２９】ここで、表１，２に実験例１での構成デー
タ及び特性データを示す。

【００３０】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】以上の実験例１における感光体（集光）面
での収差を図４に示す。図４（ａ）は、横軸を走査角
度、縦軸を湾曲度としたグラフで、点線は偏向面内の光
束による像面湾曲（主走査方向の像面湾曲）を示し、実
線は偏向面に対する垂直面内の光束による像面湾曲（副
走査方向の像面湾曲）を示す。図４（ｂ）は、横軸を走
査角度、縦軸を歪曲度（歪曲収差）としたグラフであ
る。図４（ｃ）は、横軸を走査角度、縦軸を走査線歪曲
度（副走査方向の集光位置）としたグラフで、走査線の
偏向面に垂直な方向（副走査方向）への位置ずれ、即
ち、走査線の曲がりを示す。

【００３４】なお、本発明に係る光ビーム走査光学系は
以上の実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲
内で種々に変更することができる。

【００３５】例えば、折り返しミラー２６は１枚ではな
く複数枚設けてもよく、あるいは省略して球面ミラー２
０からの反射光を直接感光体ドラム３０へ集光させても
よい。

【００３６】偏向器としては前記のポリゴンミラー１０
以外に、光束を一平面に等角速度で走査可能なものであ
れば、種々のものを用いることができる。また、光源と
しては半導体レーザ以外に、他のレーザ発生手段や点光
源を用いてもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、偏向器から記録媒体上への光路中に、主走査方
向の形状がメニスカスであってかつ正のパワーを有する
トーリックレンズと主走査方向にパワーを有するミラー
を介在させ、かつ、光源と偏向器との間に光源から放射
された発光光束を平行光かそれに近い発散光に修正する
光学手段を設けたため、偏向器の面倒れ誤差、歪曲収
差、像面湾曲を効果的に補正することができると共に、
記録サイズ（走査画像）が大きくなってもミラーをそれ
程大型にする必要がなくなる。

【００３８】また、前記ミラーは光束を入射方向に対し
て斜め方向に折り返して記録媒体に集光させるものであ
るため、光路中にビームスプリッタやハーフミラー等が
不要となり、コストが低下し、光利用効率が向上する。
さらに、前記ミラーの反射面及びトーリックレンズの面
の形状を副走査方向に関して非対称としたため、走査線
の湾曲（ボウ）を補正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学系の第１実施例の概略構成を
示す斜視図。

【図２】前記光学系の偏向面上での光路を模式的に説明
するための図。

【図３】前記光学系の偏向面と直交する面上での光路を
示すための図。

【図４】実験例１における感光体上での像歪を示すグラ
フ。

【符号の説明】

１…半導体レーザ２…コリメータレンズ３…シリンドリカルレンズ１０…ポリゴンミラー１５…トーリックレンズ２０…球面ミラー２６…平面ミラー３０…感光体ドラム

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光束を発生する光源と、前記光源から放射された発散光束を平行光かそれに近い
発散光に修正する光学手段と、前記光学手段から出射された光束を等角速度で走査する
偏向器と、前記偏向器で光束が走査される主走査方向にパワーを有
し、偏向器で走査された光束を入射方向に対して斜め方
向に折り返して記録媒体上に集光させるミラーと、前記偏向器とミラーとの間に配置され、主走査方向の形
状がメニスカスであってかつ正のパワーを有するトーリ
ックレンズと、を備え、前記ミラーの反射面及びトーリックレンズの面の形状は
副走査方向に関して非対称であること、を特徴とする光ビーム走査光学系。
【請求項２】前記ミラーは、球面ミラーであることを
特徴とする請求項１記載の光ビーム走査光学系。