JP3375507B2 - マルチビーム光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、複数の光束を結
像面上にスポットとして形成するマルチビーム光学系に
関し、特に、光束の断面形状を整形するビーム整形光学
系を用いたマルチビーム光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザーから射出される光束は楕
円形のファーフィールドパターンを持つため、従来か
ら、その光束の断面形状を円形に整形するためのビーム
整形光学系が利用されている。従来のビーム整形光学系
は、単一、または２つの楔型プリズムから構成され、そ
の主断面が半導体レーザーから発する楕円断面の光束の
短軸方向に一致するように配置されている。断面楕円形
の光束は、その短径が長径にあわせて拡大される。な
お、楔型プリズムの主断面とは、光束が通過する２つの
屈折面の交線(屈折面が交差しない場合にはその延長面
の交線)である稜線に垂直な面をいう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術のビーム整形光学系を多点発光半導体レーザ
ーを用いるマルチビーム光学系に利用した場合には、半
導体レーザー上の各発光点からの射出光の角度差によ
り、結像面上でのスポットの間隔を一定に保つことがで
きないという問題がある。

【０００４】すなわち、多点発光半導体レーザーの発光
点は光束断面の短軸方向と平行に配列しているため、従
来のようにように短軸を拡大する方向でビーム整形光学
系を用いる場合には、発光点がプリズムの主断面に平行
になるよう配置する必要がある。しかしながら、ビーム
整形光学系の主断面内の角倍率は光束の入射角度により
異なるため、ビーム整形光学系への入射時の角度と射出
時の角度とが異なることとなり、上記のようにスポット
間隔が不均等になるという問題を生じさせる。

【０００５】この発明は、上述した従来技術の課題に鑑
みてなされたものであり、光源上で等間隔で配列する発
光点から発した複数の光束を結像面上に等間隔で結像さ
せることができるマルチビーム光学系を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明にかかるマルチ
ビーム光学系は、上記の目的を達成させるため、発散光
束を発する複数の発光部を有する光源から発する光束を
コリメートレンズにより平行光としてビーム整形光学系
により断面形状を整形するマルチビーム光学系におい
て、光源を、複数の発光部がビーム整形光学系を構成す
る楔型プリズムの主断面と垂直な方向に沿って配列する
よう配置したことを特徴とする。

【０００７】発光点が主断面と垂直な方向に沿って配列
している場合、この配列方向に関してはビーム整形光学
系の楔型プリズムは角倍率を持たない平行平面板として
作用するのみであるため、各発光点からの光束のプリズ
ムへの入射角度の差が隣接する発光点間で全て均等であ
れば、結像レンズを介して結像面上に形成されるスポッ
トの間隔も均等になる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかるマルチビ
ーム光学系の実施形態を２例説明する。これらの実施形
態は、発明のマルチビーム光学系をレーザープリンター
等の書き込み光学系として用いられる走査光学系に適用
した例である。２つの実施形態は、共に５本のビームを
同時に走査させるタイプのマルチビームの走査光学系で
ある。

【０００９】第１の実施形態の走査光学系は、主走査面
内の配置を示す図１に示されるように、光源である多点
発光半導体レーザー１０と、この光源から発する複数の
光束をそれぞれ平行光とするコリメートレンズ２０と、
一対の楔型プリズム３１，３２から構成されてコリメー
トレンズ２０を射出した光束の断面形状を整形するビー
ム整形光学系３０と、整形された複数のビームを走査対
象面４０上に結像させる結像光学系５０とを備えてい
る。

【００１０】結像光学系５０は、ビーム整形光学系３０
の側から順に、シリンドリカルレンズ５１と、複数の光
束を偏向する偏向器であるポリゴンミラー５２と、偏向
された光束により走査対象面４０上に等速走査する複数
のスポットを形成する走査レンズとしてのｆθレンズ５
３とから構成されている。

【００１１】光源である多点発光半導体レーザー１０の
複数の射出光は、それぞれ活性層(ｐｎ接合の接合面)と
平行な方向に短軸、垂直な方向に長軸をもつ楕円形のフ
ァーフィールドパターンを有する発散光であり、発光点
は短軸方向平行に５つ配列している。各光束の射出方
向、すなわち中心軸は互いに平行である。ここで中央の
発光点から発する光束の中心線を基準光線とする。光学
系は、基準光線が光軸に一致するよう配置されている。
なお、主走査面は、ポリゴンミラー５２により反射、偏
向された基準光線が含まれる面であり、コリメートレン
ズ２０の光軸とｆθレンズ５３の光軸とを含む。また、
ｆθレンズ５３の光軸と垂直な面内で主走査面と平行な
方向を主走査方向、垂直な方向を副走査方向とする。

【００１２】多点発光半導体レーザー１０は、走査対象
面４０上に副走査方向に離れたスポットを形成するため
に、発光点が副走査方向と平行に配列するよう、すなわ
ち、活性層が副走査方向と平行になるよう配置されてい
る。図１、およびその光源部分の拡大図である図２にお
いては、活性層が紙面と垂直になっている。したがっ
て、コリメータレンズ２０を射出した時点では、それぞ
れの光束は活性層に平行な方向の半径が垂直な方向の半
径より小さい楕円形の断面形状を有し、長短軸方向が一
致した５つの楕円光束が、その短軸方向に沿って並列す
る状態となっている。また、各発光点からの光束は、コ
リメータレンズ２０を介し、基準光線に対して所定の角
度を持つ平行光束としてビーム整形光学系３０へ向か
う。

【００１３】ビーム整形光学系３０のプリズム３１，３
２は、それぞれ主断面が主走査面と平行になるように配
置されており、コリメートレンズ２０により平行光束と
された５本の光束のそれぞれ長径を縮小することにより
楕円形の光束断面を円形に変換する。プリズムの主断面
は、基準光束と平行であるため、中心以外の４つの光束
は主断面に対して斜めに入射するスキュー光線となる。
図１、図２では、プリズムの主断面は紙面と平行な方向
に位置している。第１の実施形態では、ビーム整形光学
系３０への入射光と射出光とが平行になるようプリズム
の各面の角度が定められている。

【００１４】この例では、発光点が主断面と垂直な方向
に沿って配列しているため、この配列方向に関してはビ
ーム整形光学系の楔型プリズムは角倍率を持たない平行
平面板として作用するのみであり、光束の広がり角が均
等であれば、結像レンズを介して結像面上に形成される
スポットの間隔も均等になる。

【００１５】シリンドリカルレンズ５１は、副走査方向
にのみパワーを有し、ポリゴンミラー５２の反射面の近
傍に主走査方向に延びる線像を形成する。ｆθレンズ５
３は、ポリゴンミラー５２側から順に、主走査、副走査
方向共に正のパワーを持つ第１、第２レンズ５３ａ，５
３ｂと、主走査方向にはほとんどパワーを持たず副走査
方向に強い正のパワーを有する第３レンズ５３ｃとから
構成されている。

【００１６】次に、上記の第１の実施形態にかかる走査
光学系の具体的な数値構成について説明する。光源であ
る多点発光半導体レーザー１０は、発光波長７８０ｎｍ
で５０μm間隔で５つの発光点(発光部)を有する。以下
の説明では、コリメータレンズの光源側の面を第１面Ｓ
1として、光源側から順に面番号を付してコリメータレ
ンズ、ビーム整形プリズム、シリンドリカルレンズ、ｆ
θレンズの構成を表１〜表４に示す。表中の記号ｒは光
軸回りに回転対称な各面の曲率半径(単位：ｍｍ)、ｄは
面間の距離(単位：ｍｍ)、ｎはレンズ、プリズムの媒質
の波長780nmにおける屈折率である。なお、シリンドリ
カル面、トーリック面は、主走査方向の曲率半径ｒy
と、副走査方向の曲率半径ｒzとにより示される(回転対
称面の場合はｒy＝ｒzなので記載省略)。

【００１７】コリメートレンズ２０は、表１に示される
ように第１面Ｓ1から第９面Ｓ9で表される４群５枚構成
である。ｆcはコリメータレンズの焦点距離、ｄ0は半導
体レーザーの発光点とコリメータレンズの第１面との間
の距離である。なお、発光点と第１面との間には、厚さ
0.25mmのカバーガラス(図示せず)が配置されている。

【００１８】

【表１】

【００１９】ビーム整形光学系３０は、図３及び表２に
示されるように、第１０面Ｓ10と第１１面Ｓ11とから構
成される第１プリズム３１と、第１２面Ｓ12と第１３面
Ｓ13とから構成される第２プリズム３２とから構成され
る。各面は平面であるため、曲率半径ｒの値はすべて∞
となる。記号αは、プリズム面の隣り合う２面の角度で
あり、光源側の面を基準として次の面との間で形成され
る鋭角を図中時計回りをプラス、反時計回りをマイナス
として表している。また、面間の距離は、コリメートレ
ンズの光軸に沿って第１０面に垂直に入射する基準光線
に沿って測った距離である。ｄ9は、コリメータレンズ
の最終面(第９面)とビーム整形光学系の第１プリズムの
光源側の面(第１０面)との間隔である。

【００２０】

【表２】

【００２１】シリンドリカルレンズ５１の構成は、以下
の表３に示される。ｄ13は第２プリズム３２の射出側の
面(第１３面Ｓ13)からシリンドリカルレンズ５１の入射
側の面(第１４面Ｓ14)までの基準光線に沿った距離であ
る。

【００２２】

【表３】 ｄ13＝5.000 面番号S ｒy ｒz ｄ ｎ 14 ∞ 30.000 4.000 1.51072 15 ∞

【００２３】シリンドリカルレンズ５１の射出側の面
(第１５面Ｓ15)からポリゴンミラー５２の偏向点までの
距離は66.400mm、偏向点からｆθレンズ５３の第１レン
ズ５３ａの入射側の面(第１６面Ｓ16)までの距離は61.2
10mm、ポリゴンミラー５２に入射する基準光線とｆθレ
ンズ５３の光軸とのなす角度は80度である。ｆθレンズ
５３の構成は、表４に示されるとおりである。第３レン
ズのポリゴンミラー側の面である第２０面が副走査方向
に強い正のパワーを有する副走査方向に回転軸を持つト
ーリック面であり、他の面は全て球面である。記号ｆm
はｆθレンズの主走査面内での焦点距離、Ｗは走査対象
面上での走査幅、ωは走査幅に対応する画角である。

【００２４】

【表４】 ｆm=180.0mm Ｗ=216.0mm ω=34.4 deg. 面番号S ｒy ｒz ｄ ｎ 16 -364.477 - 9.280 1.48479 17 -128.234 - 2.000 18 1341.631 - 12.250 1.48479 19 -176.937 - 126.810 20 704.054 20.222 5.000 1.48479 21 785.086 46.160

【００２５】図４は、上記のように構成された走査光学
系の諸収差を示すグラフであり、(Ａ)は走査光学系の直
線性誤差、(Ｂ)は像面湾曲(破線：主走査方向、実線：
副走査方向)、そして(Ｃ)は走査線の副走査方向の湾曲
をそれぞれ示す。各グラフの縦軸は像高Ｙ(ｆθレンズ
の光軸が走査対象面と交差する位置を原点として示す走
査対象面上の主走査方向の座標)、横軸は各収差の発生
量であり、単位はｍｍである。

【００２６】表５は、上述した第１の実施形態におい
て、多点発光半導体レーザー１０の各発光点から発した
光束が走査対象面４０上で形成するスポットの位置関係
を示す。ΔＺ0は、多点発光半導体レーザー１０上での
発光点の位置を基準光線を発する第３の発光点を中心に
示した座標であり、ΔＺ1は走査対象面４０上でのスポ
ット中心の副走査方向の位置を基準光線が走査対象面４
０と交差する点を中心として示す座標である。また、Δ
Ｙ1は、走査対象面４０上でのスポット中心の主走査方
向の位置を基準光線が走査対象面４０と交差する点を中
心として示す座標である。ΔＺ0、ΔＺ1、ΔＹ1の単位
はμｍである。

【００２７】

【表５】

【００２８】表５に示されるように、副走査方向に関し
てはビーム整形光学系の角倍率の影響を受けないため、
等間隔で配列する発光点からの光束により走査対象面上
に形成されるスポットも等間隔で配列する。ただし、第
１の実施形態では、スポットが主走査方向に関しては一
列に揃わない。したがって、多点発光半導体レーザー１
０の各発光点を制御する際には、各スポットの主走査方
向のずれを考慮して発光タイミングを定める必要があ
る。

【００２９】この発明のようにプリズムの主断面に対し
て複数の光束の配列方向が垂直となる場合、中心以外の
プリズムに対してスキュー光線として入射する光束は、
第１の実施形態のようなビーム整形光学系を用いた場合
には走査対象面上で主走査方向のずれを生じさせる。こ
の主走査方向のずれを解消するためには、ビーム整形光
学系に以下の条件が要求される。

【００３０】すなわち、主断面に沿って第１プリズムに
入射する基準光線と、主断面に投影した際の入射角度が
基準光線と同一であり、主断面に垂直な面内では基準光
線に対してＶ度をなすスキュー光線とを入射させた際
に、主断面内での基準光線の第２プリズムからの射出角
度をθ8、主断面に投影した際のスキュー光線の第２プ
リズムからの射出角度をθ'8として、｜Ｖ｜＜１０゜の
範囲内で、以下の条件を満たす必要がある。 ｜θ8-θ'8｜＜0.100゜…(１)

【００３１】スキュー光線は主断面内に投影して考える
と、基準光線と同一の角度で第１プリズム１０に入射す
るが、主断面に垂直な面内では基準光線が入射角度０゜
なのに対してこれより大きい入射角度を持つこととな
る。

【００３２】プリズムの透過面が基準光線とスキュー光
線とを含む面に対して垂直である場合、すなわち基準光
線の入射角が０゜である場合には、両光線の透過面に対
する入射面が一致するため、上記の入射角度の違いは各
光線を主断面へ投影した場合には現れない。なお、入射
面は、透過面の法線と光線とを含む面であって光線毎に
定義され、光線はこの面内で屈折する。基準光線の入射
面は主断面である。しかしながら、プリズムの透過面が
各光線を含む面に対して垂直でない場合には、スキュー
光線の入射面が主断面に対して傾くこととなり、この入
射面内で屈折する光線を主断面に投影した場合には、あ
たかも屈折率が異なるかのように異なる角度で屈折する
こととなる。

【００３３】スキュー光線の主断面に垂直な面内での基
準光線に対する角度をＶ、プリズムの屈折率をｎとする
と、主断面内に投影して考える際のスキュー光線に対す
るみかけの屈折率ｎｓは、以下の式(２)であらわされる
ことが知られている。この発明のビーム整形光学系は、
上記の見かけの屈折率の違いにより生じる主断面内に投
影した際のスキュー光線の基準光線に対する角度差を小
さく抑えることができる。

【００３４】

【数１】

【００３５】次に、上記の角度差を小さく抑えるために
必要となる条件を計算により求める。図５は、計算に用
いられる符号を説明するための図である。まず、主断面
内を進む基準光線の屈折経路を求める。第１プリズムへ
の主断面内での入射角度をθ1、第１面で屈折した際の
屈折角度をθ2、第２面への入射角度をθ3、第２面から
の射出角度をθ4とし、同様に第２プリズムへの入射角
度、屈折角度等をそれぞれ順にθ5、θ6、θ7とし、第
２プリズムからの射出角度をθ8とする。なお、光線の
角度は、その面より入射側に位置する面に対する相対角
度として定義され、図中時計回りをプラス(＋)、反時計
回りをマイナス(−)とする。

【００３６】上記の定義にしたがって最終的な射出角度
θ8を各プリズムの頂角α1、α3、および屈折率ｎ1、ｎ
3、プリズム間の角度α2、そして入射角度θ1の関数と
して求める。屈折率ｎ1、ｎ2で計算した際の射出角度θ
8が、これを上記の式(２)に代入して得られる見かけの
屈折率ｎｓ1、ｎｓ2で計算した際の射出角度θ'8とほぼ
等しくなれば、主断面内に投影した際の基準光線とスキ
ュー光線との角度差を小さく抑えることができることと
なる。

【００３７】屈折の法則に従ってθ8をθ7で表すと、そ
の値は式(３)に示すとおりとなる。同様に、θ6、θ4、
θ2は屈折の法則に従ってそれぞれ以下の式(５)、
(７)、(９)に示されるようにθ5、θ3、θ1で表され
る。θ7、θ5、θ3は、幾何学的な手法によりそれぞれ
以下の式(４)、(６)、(８)に示されるようにθ6、θ4、
θ2から求められる。

【００３８】

【数２】

【００３９】上記の各式を順に代入することにより、基
準光線の射出角度θ8は以下の式(１０)に示されるとお
りとなる。また、スキュー光線の射出角度θ'8は、以下
の式(１１)に示される通りとなる。

【００４０】

【数３】

【００４１】図６は、上記の条件(１)を満たす第２の実
施形態を示す走査光学系の主走査面内の説明図である。
図７はその光源側の部分の拡大図である。第２の実施形
態と第１の実施形態との違いは、ビーム整形光学系３５
の構成にあり、光源である多点発光半導体レーザー１
０、コリメートレンズ２０、結像光学系５０を構成する
シリンドリカルレンズ５１、ポリゴンミラー５２、ｆθ
レンズ５３の構成は共通である。表６は、第２の実施形
態にかかる走光学系のビーム整形光学系を構成する第１
プリズム３６、第２プリズム３７の構成を示す。

【００４２】

【表６】

【００４３】ビーム整形光学系３５は、基準光線が第１
プリズムの第１面に対して垂直に入射するよう配置され
る。第２の実施形態の構成では、基準光線とスキュー光
線との主断面に垂直な面内での角度Ｖの−１０゜〜１０
゜の範囲で、主断面内での射出角度の差｜θ8−θ'8｜
が最大となるのはＶ＝±１０゜の場合である。１０゜の
スキュー光線に対し、第１プリズム３６の屈折率ｎ10＝
1.89665は見かけ上ｎｓ10＝1.917820となり、第２プリ
ズム３７の屈折率ｎ12＝1.51072は見かけ上ｎｓ12＝1.5
23858となる。この場合の基準光線及び１０゜のスキュ
ー光線の入射・屈折角度θ1〜θ8の値は、以下の表２に
示すとおりである。射出時の主断面に投影した際の角度
差｜θ8−θ'8｜は、0.0075゜となる。

【００４４】

【表７】

【００４５】図８は、上記のように構成された走査光学
系の諸収差を示すグラフであり、(Ａ)は走査光学系の直
線性誤差、(Ｂ)は像面湾曲(破線：主走査方向、実線：
副走査方向)、そして(Ｃ)は走査線の副走査方向の湾曲
をそれぞれ示す。

【００４６】表８は、上述した第２の実施形態におい
て、多点発光半導体レーザー１０の各発光点から発した
光束が走査対象面４０上で形成するスポットの位置関係
を示す。ΔＺ0、ΔＺ1、ΔＹ1の定義は表５と同一であ
る。

【００４７】

【表８】

【００４８】前述したように、第１の実施形態ではビー
ム整形光学系への入射光と射出光とが平行になるように
構成されているが、走査対象面上でのスポットの主走査
方向の位置に微小なズレが生じる。これに対して第２の
実施形態では、表８に示されるように走査対象面上での
スポットの主走査方向の位置を一直線上に揃えることが
できる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、複数の光束の並び方向に関してはビーム整形光学系
を構成するプリズムの角倍率の影響を受けないため、光
束の並び方向に沿った入射角度が異なる場合にも、発光
点が等間隔であれば像面のスポット間隔も一定に保つこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態にかかる走査光学系の主走査
面内の説明図である。

【図２】 図１の走査光学系の光源部分の拡大図であ
る。

【図３】 図１の走査光学系のビーム整形光学系の拡大
図である。

【図４】 図１の走査光学系の諸収差を示し、(Ａ)が直
線性誤差、(Ｂ)が像面湾曲、(Ｃ)が走査線の湾曲を示す
グラフである。

【図５】 プリズムの各面での屈折を計算する際の符号
の定義を示す説明図である。

【図６】 第２の実施形態にかかる走査光学系の主走査
面内の説明図である。

【図７】 図６の走査光学系の光源部分の拡大図であ
る。

【図８】 図６の走査光学系の諸収差を示し、(Ａ)が直
線性誤差、(Ｂ)が像面湾曲、(Ｃ)が走査線の湾曲を示す
グラフである。

【符号の説明】

１０ 多点発光半導体レーザー ２０ コリメートレンズ ３０ ビーム整形光学系 ３１ 第１プリズム ３２ 第２プリズム ４０ 走査対象面 ５０ 結像光学系 ５１ シリンドリカルレンズ ５２ ポリゴンミラー ５３ ｆθレンズ

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発散光束を発する複数の発光部を有する
   光源と、該光源から発する光束を平行光とするコリメー
   トレンズと、少なくとも１つの楔型プリズムから構成さ
   れて前記コリメートレンズを射出した光束の断面形状を
   整形するビーム整形光学系と、該ビーム整形光学系を透
   過した光束を結像面上に結像させる結像光学系とを備え
   るマルチビーム光学系において、 前記光源は、前記複数の発光部が前記楔型プリズムの主
   断面と垂直な方向に沿って配列するよう配置されている
   ことを特徴とするマルチビーム光学系。
2. 【請求項２】 前記発光部は、長軸と短軸とが異なる楕
   円形の断面形状を持つ光束を発し、前記短軸方向に沿っ
   て複数配列していることを特徴とする請求項１に記載の
   マルチビーム光学系。
3. 【請求項３】 前記光源は、活性層と平行な方向に複数
   の発光部を有する多点発光半導体レーザーであることを
   特徴とする請求項２に記載のマルチビーム光学系。
4. 【請求項４】 前記ビーム整形光学系は、主断面が互い
   に平行な第１、第２の楔型プリズムから構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマル
   チビーム光学系。
5. 【請求項５】 前記ビーム整形光学系は、主断面に沿っ
   て第１プリズムに入射する基準光線と、主断面に投影し
   た際の入射角度が基準光線と同一であり、主断面に垂直
   な面内では基準光線に対してＶ度をなすスキュー光線と
   を入射させた際に、主断面内での基準光線の第２プリズ
   ムからの射出角度をθ8、主断面に投影した際のスキュ
   ー光線の第２プリズムからの射出角度をθ'8として、｜
   Ｖ｜＜１０゜の範囲内で、以下の条件を満たすことを特
   徴とする請求項１に記載のマルチビーム光学系。 ｜θ8-θ'8｜＜0.100゜…(１)
6. 【請求項６】 前記結像光学系は、前記ビーム整形光学
   系から射出された複数の光束を偏向する偏向器と、該偏
   向器により偏向された光束を走査対象面上に結像させる
   走査レンズとを備え、前記光源は各発光部から発した光
   束が前記走査対象面上で副走査方向に離間するスポット
   を形成するよう配置されていることを特徴とする請求項
   １〜４のいずれかに記載のマルチビーム光学系。