JP3221244B2 - 走査光学系 - Google Patents
走査光学系Info
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Description
のであり、更に詳しくはポリゴンスキャナのような偏向
器が用いられた光走査式の走査光学系に関するものであ
る。
距離fMでの温度変化による主走査方向の像面シフト(以
下「像面シフト」という。)の量ΔBFは、次の式(1)で
与えられる。 ΔBF=(1−β)2・[−{1/(n−1)}・(∂n/∂t)+α]・fM・Δt …(1) 但し、 β:走査レンズの主走査方向の倍率 n:走査レンズの屈折率 (∂n/∂t):走査レンズの温度変化による屈折率変動 α:走査レンズの線膨張係数 fM:走査レンズの主走査方向の焦点距離 Δt:走査レンズの温度変化量 である。
t)+α]は、走査レンズを構成する材料の種類によって
決まる数値である。この数値は、ガラス材料ではおおよ
そ±0.5×10-5程度であるのに対し、樹脂材料では
±30×10-5程度であり、ガラス材料の約50倍にも
なる。
で製造することができるため、非球面加工が容易であ
る。これにより、レンズ性能をアップすることができる
とともに、従来のガラス製走査レンズよりも安価に製造
することができる。従って、樹脂製走査レンズが用いら
れた走査光学系は、ガラス製走査レンズが用いられたも
のと比較して、性能的にもコスト的にも有利である。
たように樹脂製走査レンズはガラス製走査レンズに比べ
て屈折率変動(∂n/∂t)が大であるため、像面シフト
等の性能変化が大きいという問題がある。高性能の小径
ビーム走査レンズになるほどその性能変化の影響は大き
いものとなる。
6号公報,同4−110817号公報,同4−5090
8号公報等では、屈折率nが1.6程度以下の樹脂材料
をそのまま走査レンズに用いることができる走査光学系
が提案されている。
は以下のような問題がある。特開平4−153616号
公報及び特開平4−110817号公報に示されている
走査光学系では、走査レンズに入射するビームが平行光
であるため、式(1)においてβ=0である。従って、像
面シフト量ΔBFは、走査レンズの焦点距離fMと走査
レンズを構成する材料とで決まってしまうことになる。
このことから、樹脂製の走査レンズで像面シフト量ΔB
Fを小さくしようとすれば、焦点距離fMを小さくする
必要が生じてくる。これを正レンズの組み合わせで行う
方法として、画角を更に拡げる方法,レンズの心厚を厚
くする方法等が挙げられるが、いずれの方法も設計・加
工の面で採用するのは困難である。
る走査光学系では、走査レンズに入射するビームが収束
光であるため、式(1)において(1−β)が1より小さく
なっている。そのため、像面シフト量ΔBFは前述の従
来例(特開平4−153616号及び特開平4−110
817号)よりも小さいものとなっている。しかしなが
ら、像面性とリニアリティを確保するためには、コマ収
差の補正をある程度犠牲にせざるをえないので、高性能
化には不利である。また、コマ収差等の影響で像面での
ビーム径が比較的大きくなるため、(1−β)が小さいこ
とは1枚構成の走査レンズで走査光学系を小型化するこ
とには貢献しても、温度変化による像面シフトの影響は
それほど大きくは表れない。また、走査レンズが1枚構
成であるため、面形状は変曲点等を有する複雑なものと
なっているが、これは走査レンズの加工を困難なものと
している。
であって、その目的は、走査レンズを樹脂化しても温度
変化による像面シフト等の性能変化を小さく抑えること
ができる高性能の走査光学系を提供することにある。
め、本発明に係る走査光学系は、偏向器を備え、この偏
向器によって等角速度的に偏向された収束ビームを被走
査面上に結像させ、被走査面上を実質的に等速で走査す
るように作用する走査レンズを備えた走査光学系であっ
て、前記走査レンズは前記偏向器側から順に負の第1レ
ンズと正の第2レンズとから成り、その第2レンズの少
なくとも1面は主走査方向と副走査方向とで屈折力が異
なるトーリック面であり、更に以下の条件式(2)を満た
すことを特徴とする。 |1−β|<0.25 …(2) 但し、 β:走査レンズの主走査方向の倍率 である。
シフト量ΔBFを小さくするための条件である。条件式
(2)の範囲を外れた場合、温度変化による像面シフト量
ΔBFは大きくなり、たとえ走査レンズを収差的に高性
能化することができたとしても、温度変化により性能が
極端に悪くなってしまうという問題が発生する。
が望ましい。 −0.5>f1M/f2M>−33 …(3) 但し、 f1M:第1レンズの主走査方向の焦点距離 f2M:第2レンズの主走査方向の焦点距離 である。
走査方向の像面湾曲を補正するための条件である。第1
レンズは負のパワーを有するため、その焦点距離f1Mは
負である。ここで、焦点距離f1Mが正の場合、条件式
(2)を満たそうとすれば、第2レンズの主走査方向の焦
点距離f2Mを正の大きな値又は負の小さな値にしなけれ
ばならない。しかし、そうすると主走査方向の像面湾曲
を補正することが困難になる。焦点距離f1Mが負であっ
ても、条件式(3)の範囲を外れた場合には、焦点距離f
2Mが正の大きな値をとることになるため、上記と同様に
主走査方向の像面湾曲を補正することが困難になる。
が望ましい。 f1M=f1S …(4) 但し、 f1S:第1レンズの副走査方向の焦点距離 である。
ら成ることを表している。射出成形レンズの金型加工を
考えた場合、加工が容易で、かつ、測定も容易な回転対
称面が好ましいからである。
が望ましい。 −4>f1S/f2S>−350 …(5) 但し、 f2S:第2レンズの副走査方向の焦点距離 である。
ンズの副走査方向の焦点距離f1Sと、第2レンズの副走
査方向の焦点距離f2Sとの比を規定しており、副走査方
向の像面湾曲を良好に保つための条件である。条件式
(5)の範囲を外れた場合は、主走査像面と副走査像面と
の非点隔差を補正することが困難になる。
が望ましい。 5<f2M/f2S<15 …(6)
緩やかにし、さらに主走査方向及び副走査方向の像面を
良好にするための条件である。条件式(6)の範囲を外れ
ると、成形金型の加工が難しくなる。
も1面は、主走査方向と副走査方向とで屈折力が異なる
トーリック面であるが、ここで拡張yトーリック面を例
に挙げて、この第2レンズのトーリック面を説明する。
この面は、図23に示すように主走査断面が非球面であ
り、主走査断面に沿って副走査方向曲率が連続して変化
するようなトーリック面である。この面は、yとzの関
数として次の式(A)で定義される。
トーリック面に2次元的な付加項A(y,z)を加えたも
のとして得られる。ここで、主走査断面における曲線を
主曲線Cm、副走査断面における曲線をプロファイル曲
線Cpとすると(つまり、x:光軸方向,y:主走査方
向,z:副走査方向である。)、Κ,cはそれぞれ面頂
点での主曲線方向,プロファイル曲線方向の曲率(正確
にはそれぞれΚ+2a0,2,c+2a2,0)を表し{つま
り、1/Κ:主曲線Cmの面頂点曲率半径,1/c:プ
ロファイル曲線Cpの曲率半径(主曲線Cmの面頂点での
副走査方向曲率半径)である。}、μ,εはそれぞれ主曲
線方向,プロファイル曲線方向の2次曲線パラメータ
(負のときは双曲線、ゼロのときは放物線、正のときは
楕円を、特に1のときには円)を表す。
式(A)は従来のトーリック面(2次のプロファイル曲線ρ
を半径1/Κでy軸平行な軸回りに回転したもの)を表
す。また、式(A)中のS,Aはそれぞれ以下の数1,数
2の式で表される。
[−{1/(n−1)}・(∂n/∂t)+α]がガラス材料に
比べてはるかに大きい樹脂材料を走査レンズに用いた場
合でも、走査レンズが前記条件式(2)を満たすことによ
って(1−β)2が小さくなるため、像面シフトが小さく
抑えられる。
す。但し、各実施例中、r0は偏向器の偏向面の曲率半径
(=∞)、riM(i=1,2,3,4)は偏向器側から数えて第i番目の
面の主走査方向の曲率半径、riS(i=1,2,3,4)は偏向器側
から数えて第i番目の面の副走査方向の曲率半径、d0は
偏向器の偏向面上の偏向点から第1番目のレンズ面まで
の光軸上の距離、di(i=1,2,3)は偏向器側から数えて第i
番目の面と第i+1番目の面と間の軸上面間隔、LBはレン
ズバック(一番像側のレンズの像側の面と被走査面(像
面)との軸上面間隔)、Ni(i=1,2)は偏向器側から数えて
第i番目のレンズの波長780nmの光に対する屈折率であ
る。
り、条件式(3),(5),(6)と対応する値等のデータを併
せて示す。また、θmaxは偏向されたビームと走査レン
ズ光軸とのなす画角(偏向角)が最大のときの画角(最大
偏向角)、S1は偏向面から収束ビームの自然収束点(走
査レンズがない場合の収束ビームの収束点、即ち物点の
こと)までの距離、ymaxは被走査面上で最大となる像高
である。
yトーリック面である。また、各実施例中、曲率半径に
*印を付した面は回転対称非球面で構成された面である
ことを示し、非球面の面形状を表わす次の数3の式で定
義するものとする。
学系(走査レンズSLは実施例1のものを示す。)の全体
構成を、それぞれ主走査断面(図1)及び副走査断面(図
2)について示している。この走査光学系は、偏向器5
を備え、更に偏向器5によって等角速度的に偏向された
収束ビームを被走査面8上に結像させ、被走査面8上を
実質的に等速で走査するように作用する走査レンズSL
を備えている。
ザ等から成る光源1から発せられた発散ビームは、集光
レンズ2によって主走査方向に収束ビームとされる。こ
の収束ビームは、走査レンズSLがない場合、自然収束
点位置10で集光するような収束ビームである。収束ビ
ームは、要求されるビーム径となるように、絞り3によ
ってビーム幅が規制され、副走査方向にのみパワーを有
するシリンドリカルレンズ4に入射する。そして、シリ
ンドリカルレンズ4を出たビームは、偏向器(ポリゴン
ミラー)5に入射するが、図2に示すように副走査方向
についてのみポリゴン反射面9位置で集光される。高速
で回転(副走査方向に対して平行な軸を中心とした回転)
する偏向器5によって、等角速度的に偏向走査された収
束ビームは、走査レンズSLに入射する。走査レンズS
Lにより、ビームは像面8(つまり被走査面である感光
体8の表面)上で均一ビームとなって、被走査面8を実
質的に等速で走査する。
に、ビームはポリゴン反射面9の位置で集光されるた
め、第2レンズG2に設けられている拡張yトーリック
面(曲率半径r4M,r4Sの第4面)によって、ポリゴン反射
面9は感光体8上の被走査面とほぼ共役の関係を成す。
これは、ポリゴンミラー5に微小な面の倒れが発生した
とき、感光体8上での集光位置が副走査方向にシフトす
るのを補正するためである。
実施例1〜5の走査光学系に組み込まれている走査レン
ズSLは、上述の光学構成から明らかなように、偏向器
5側から順に負の第1レンズG1と正の第2レンズG2
とから成っており、いずれも樹脂製レンズである。第1
レンズG1が軸対称に構成されているのに対し、第2レ
ンズG2は第4面(曲率半径:r4M,r4S)が主走査方向と
副走査方向とで屈折力が異なる(つまり、曲率半径が異
なる)拡張yトーリック面を有している。
n/∂t)+α]がガラス材料に比べてはるかに大きい樹
脂材料を第1,第2レンズG1,G2に用いているにも
かかわらず、走査レンズSLが前記条件式(2)を満たす
ことによって(1−β)2を小さくしているため、温度変
化による像面シフト等の性能変化が小さく抑えられる。
また、走査レンズSLは、偏向器5側から順に負の第1
レンズG1と正の第2レンズG2とから成り、第2レン
ズG2が主走査方向と副走査方向とで屈折力の異なるト
ーリック面を有しているため、上記のように温度変化に
よる性能変化を小さく抑えた場合でも光学性能を高く保
持して、高性能の走査光学系を実現することができる。
このように、走査レンズSLの樹脂化に適した走査光学
系によれば、樹脂材料を走査レンズSLに用いた場合
に、高性能化等に有利な軸対称非球面や拡張トーリック
面のような複雑な面形状を低コストで形成することがで
きるため、安価で高性能の走査光学系の実現が可能であ
る。なお、実施例1〜5の走査光学系は、前記条件式
(2)〜(6)を満たした構成となっているため、それぞれ前
述した効果が得られる。
実施例1〜実施例5に対応する走査レンズSLのレンズ
構成を、主走査方向について断面的に示している。図
4,図8,図12,図16,図20は、それぞれ実施例
1〜実施例5に対応する像面湾曲(波長:780nm)を示し
ており、実線(DT)は主走査方向の像面湾曲量、破線
(DS)は副走査方向の像面湾曲量を表わしている。図
5,図9,図13,図17,図21は、それぞれ実施例
1〜実施例5に対応する歪曲収差(即ちfθ性能,波
長:780nm)を示している。また、図6,図10,図1
4,図18,図22は、それぞれ実施例1〜実施例5に
対応する横収差曲線を示している。横収差図に付したK
は、式:S1×sinθ=Kで表されるある画角(偏向角
θ)のビームについて、そのビームの像面での収差量を
示している。例えば、実施例1についてのコマ収差量を
示す図6は、K=0.0,29.226,57.884,85.415,111.2
83となる画角のビームの像面でのコマ収差の発生を示し
ている。
によれば、走査レンズが条件式(2)を満たすので、走査
レンズを樹脂化しても温度変化による像面シフト等の性
能変化を小さく抑えることができる。また、走査レンズ
は、偏向器側から順に負の第1レンズと正の第2レンズ
とから成り、その第2レンズの少なくとも1面が主走査
方向と副走査方向とで屈折力の異なるトーリック面であ
るため、上記のように温度変化による性能変化を小さく
抑えた場合でも光学性能を高く保持して、高性能の走査
光学系を実現することができる。
査光学系によれば、樹脂材料を走査レンズに用いた場合
に、高性能化等に有利な軸対称非球面や拡張トーリック
面のような複雑な面形状を低コストで形成することがで
きるため、安価で高性能の走査光学系の実現が可能であ
る。
査断面図。
図。
図。
査断面図。
図。
図。
図。
走査断面図。
図。
図。
図。
走査断面図。
図。
図。
図。
走査断面図。
図。
図。
図。
ク面を説明するための図。
Claims (1)
- 【請求項1】偏向器を備え、この偏向器によって等角速
度的に偏向された収束ビームを被走査面上に結像させ、
被走査面上を実質的に等速で走査するように作用する走
査レンズを備えた走査光学系であって、 前記走査レンズは前記偏向器側から順に負の第1レンズ
と正の第2レンズとから成り、その第2レンズの少なく
とも1面は主走査方向と副走査方向とで屈折力が異なる
トーリック面であり、更に以下の条件を満たすことを特
徴とする走査光学系; |1−β|<0.25 但し、 β:走査レンズの主走査方向の倍率 である。
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