JP3450712B2

JP3450712B2 - 走査光学系

Info

Publication number: JP3450712B2
Application number: JP20451898A
Authority: JP
Inventors: 淳二上窪
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-07-21
Publication date: 2003-09-29
Anticipated expiration: 2018-07-21
Also published as: JPH1195145A

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、レーザープリン
タ等の光走査ユニットに用いられる走査光学系に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査光学系は、レーザー光源からの光束
をポリゴンミラー等の偏向器により偏向、走査させ、ｆ
θレンズのような走査レンズを介して感光体ドラム等の
走査対象面上にスポットとして結像させる。感光体ドラ
ム上のスポットは、ポリゴンミラーの回転に伴って主走
査方向に走査し、この際レーザー光をオンオフ変調する
ことにより走査対象面上に静電潜像を形成する。

【０００３】一般に、走査光学系の光源として用いられ
るレーザーの発光スペクトルは、単一波長と考えること
ができるため、従来の走査光学系では収差は特定の設計
波長において補正されており、色収差補正については考
慮されていなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
光源として用いられる半導体レーザーは発光波長に個体
差があり、発光波長が設計波長に対して誤差を持つ場
合、走査光学系の倍率色収差により、描画特性が変化す
るという問題がある。また、光源として複数の半導体レ
ーザーを用いるマルチビームの走査光学系においては、
発光波長のバラツキにより形成される走査線毎に描画特
性が変化するという問題がある。なお、走査光学系にお
いても、カメラレンズ等のような波長幅のある光を用い
る系と同様に分散の異なる正負レンズの組み合わせによ
り色収差を補正することはできるが、その場合にはレン
ズの構成枚数が増加し、かつ、既存のものとは異なる新
規の光学系を用いなければならないため、例えばモール
ドレンズの場合には型を新たに作らなければならないと
いう問題がある。

【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、簡単な構成で波長変動による
特性の変化を抑えることができ、かつ、既存の光学素子
を利用することが可能な走査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】この発明にかかる走査光
学系は、光源から発した光束を偏向器により偏向、走査
させ、走査レンズを介して走査対象面上に結像させる走
査光学系において、偏向器と走査対象面との間に、走査
レンズの色収差を補正するためにのみ作用する回折面を
備えることを特徴とする。分散に関して正の回折レンズ
は負のアッベ数を持つ屈折レンズと等価であるため、こ
れを正の屈折レンズと組み合わせることにより、色収差
を補正することができる。

【０００７】この発明によれば、色収差が補正されてい
ない既存の光学系に回折面を付加するのみで色収差を補
正することができるが、この場合、回折面は主走査方向
において近軸的にパワーを持たない面である必要があ
る。回折面は、走査レンズの一面に形成されてもよい
し、走査レンズとは独立した回折素子として形成されて
もよい。回折素子は、偏向器と走査レンズとの間に配置
することができる。

【０００８】回折面は、複数の輪帯が光軸を中心に同心
に形成されて構成され、その巨視的な形状が凹面である
ことが望ましい。回折面の各輪帯は、光軸に垂直な平面
で構成することができ、あるいは曲面で構成することも
できる。回折素子の回折面が形成されていない側の一面
は、平面であってもよいし、凹面であってもよい。

【０００９】また、前記走査光学系に、前記偏向器を覆
うカバー部材が設けられている場合には、前記偏向器に
より偏向され前記走査対象面上に向かう光束が透過する
よう前記カバー部材に形成された窓部に、前記回折面を
設けるようにしてもよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる走査光学
系の実施形態を説明する。実施形態の光学系は、レーザ
ープリンターのレーザー走査ユニットに使用され、入力
される描画信号にしたがってＯＮ／ＯＦＦ変調されたレ
ーザー光を感光体ドラム上で走査させ、静電潜像を形成
する走査光学系である。

【００１１】実施形態にかかる走査光学系は、例えば、
主走査方向の平面図である図１、および副走査方向の側
面図である図２に示されるように、光源である半導体レ
ーザー１０から発した発散光をコリメートレンズ１１に
より平行光束とし、副走査方向に正のパワーを有するシ
リンドリカルレンズ１２を介して偏向器であるポリゴン
ミラー１４の反射面１４ａに入射させる。ポリゴンミラ
ー１４で反射、偏向されたレーザー光は、回折素子１
５、走査用レンズ２０、および補正用レンズ３０を介し
て収束され、走査対象面４０上に主走査方向に走査する
スポットを形成する。

【００１２】シリンドリカルレンズ１２は、コリメート
レンズ１１側のレンズ面が副走査方向にのみ正のパワー
を持つシリンダー面、ポリゴンミラー１４側のレンズ面
が平面として構成されている。シリンドリカルレンズ１
２のパワーは、シリンドリカルレンズ１２により形成さ
れる線像がポリゴンミラー１４の反射面１４ａの近傍に
位置するよう定められている。

【００１３】ポリゴンミラー１４で反射された光束は、
主走査方向にはほぼ平行光として、副走査方向には発散
光として回折素子１５に入射する。回折素子１５は、ポ
リゴンミラー側の面に色収差補正用の回折面１５ａが形
成された素子であり、この例では走査用レンズ２０側の
面１５ｂは平面である。

【００１４】回折素子１５を透過した光束は、走査用レ
ンズ２０に入射する。走査用レンズ２０は、ポリゴンミ
ラー１４側から第１レンズ２１と第２レンズ２２とが配
列して構成されている。走査用レンズ２０は、全体とし
て主走査方向に正のパワー、副走査方向に負のパワーを
有しており、走査用レンズ２０を透過した光束は主走査
方向には収束光、副走査方向では発散光となる。

【００１５】補正用レンズ３０は、走査対象面４０側に
近接して配置された像面湾曲補正用の長尺のレンズであ
り、その走査用レンズ２０側のレンズ面３０ａは、主走
査方向の中心から周辺に向けて、副走査方向の実効的な
屈折力が漸減するアナモフィック面であり、副走査方向
に強い正のパワーを有する。補正用レンズ３０を透過し
た光束は、主走査、副走査の両方向に関して収束光とな
り、走査対象面４０上にビームスポットを形成する。

【００１６】実施形態の走査光学系は、半導体レーザー
１０の発光波長が設計波長に一致している場合には、回
折素子１５がなくとも所定の性能が得られるよう設計さ
れている。すなわち、実施形態の走査光学系は、色収差
が補正されていない既存の走査光学系に回折素子１５を
挿入して構成されている。したがって、回折素子１５は
色収差を補正するための作用のみを持ち、近軸的にはパ
ワーを持たない。このように回折素子を追加するのみで
色収差を補正することができるため、既存の走査光学系
の設計を変更することなく、光学素子も既存のものを流
用しつつ色収差が補正された走査光学系を構成すること
ができる。

【００１７】次に、図３〜図５に基づき、回折素子１５
の形状について説明する。図３は、回折素子１５をポリ
ゴンミラー１４側から見た正面図、図４はそのIV−IV線
に沿う断面図、図５は回折素子の他の例を示す図４と同
様の断面図である。

【００１８】回折素子１５のポリゴンミラー１４側の面
である回折面１５ａには、図３に示されるように同心円
状の輪帯が多数形成されている。なお、図３〜図５で
は、理解を容易にするため輪帯の数を実際より少なく記
載している。輪帯は、図４に示されるように、光軸Ａｘ
に対して垂直な平面であり、階段状に光軸上が最も低く
（ポリゴンミラー１４側から遠く）、周辺に向けて徐々
に高く（ポリゴンミラー１４に近づく）なるよう加工さ
れており、回折面１５ａの巨視的な形状は凹面である。

【００１９】回折面１５ａは一般に成型により加工され
る。成型用の型は、旋盤を用いてバイトにより切削加工
される。位相の誤差による不要回折光の発生を抑えるた
めには、輪帯の切り替わり部分を正確に加工する必要が
ある。回折面を構成する各輪帯が曲面である場合には、
切り替わり部分を正確に加工するために非常に先端が細
いバイトを用いる必要があるが、先端が細いバイトは磨
耗が激しいため、走査光学系に用いるような大口径のレ
ンズの型を加工するには不適当である。一方、回折面１
５ａを構成する各輪帯が図４のように平面により構成さ
れる場合には、成型用の型は、旋盤を用いて平面のエッ
ジを持つバイトにより切削加工できる。ダイヤモンドバ
イトの平面は結晶構造による平面であるため、非常に精
度が高く、かつ、接触面積が大きいために磨耗も比較的
少なく、設計値通りの形状を正確に加工することができ
る。したがって、加工誤差による散乱光の発生が少な
く、良好な性能を得ることができる。

【００２０】回折素子の回折面１５ａが形成されていな
い側の面は、図４に示されるように平面１５ｂであって
もよいし、図５に示されるように周辺部分で主走査方向
に実効的な屈折力を持つような曲面１５ｂとすることも
できる。加工の容易さの点では図４に示されるような平
面ベースの回折素子１５が望ましいが、回折面の巨視的
な形状である凹の非球面により発生する収差を打ち消す
ためには、図５に示されるような回折面が形成されてい
ない側の面を近軸でパワーを持たない凹の非球面である
曲面１５ｂとすることが望ましい。

【００２１】なお、回折面は、この例では走査用レンズ
２０、補正用レンズ３０とは独立した回折素子１５上に
形成されているが、ポリゴンミラーが回転ノイズ防止用
のカバーにより覆われる場合には、カバーに設けられた
反射光を透過させる窓ガラスに回折面を設けることもで
きる。

【００２２】図１０に、カバー部材が設けられた場合の
構成を示す。回転ノイズ防止用カバー部材１１７がポリ
ゴンミラー１４を覆っており、カバー部材１１７には、
入射ビームを透過させるため窓部材１１６およびポリゴ
ンミラー１４により偏向され、走査対象面４０へ向かう
光束を透過させる窓部材１１５が設けられている。ここ
で、窓部材１１５は、上述の回折素子１５と同様の構成
となっている。すなわち、面１１５ａは同心円状の輪帯
を形成された回折面であり、回折素子の回折面１１５ａ
が形成されていない例の面１１５ｂは、平面、あるいは
周辺部分で主走査方向に実効的な屈折力を持つような曲
面となっている。

【００２３】

【実施例】次に、この発明の走査光学系の具体的な実施
例を３例説明する。以下の実施例では、回折素子を除く
光学系、すなわち、半導体レーザー１０からポリゴンミ
ラー１４まで、そして走査用レンズ２０、補正用レンズ
３０の構成は共通である。したがって、共通部分につい
ては実施例１においてのみ説明し、実施例２，３におい
ては回折素子の構成を説明する。

【００２４】

【実施例１】表１は、実施例１にかかる走査光学系のシ
リンドリカルレンズ１２より走査対象面４０例の構成を
示す。表中の記号ｒｙは主走査方向の曲率半径、ｒｚは
副走査方向の曲率半径（回転対称面の場合には省略）、
ｄは面間の光軸上の距離（面番号１１のｄは補正用レン
ズ３０のレンズ面３０ｂから走査対象面４０までの距
離）、ｎは波長７８０ｎｍでの屈折率である。表中、第
１、第２面がシリンドリカルレンズ１２、第３面がポリ
ゴンミラー１４のミラー面、第４、第５面が回折素子１
５、第６、第７面が第１レンズ２１、第８、第９面が第
２レンズ２２、第１０、第１１面が補正用レンズ３０を
示す。

【００２５】実施例１では、第１レンズ２１のレンズ面
２１ａ，２１ｂ（第６、７面）は回転対称な非球面、第
２レンズ２２のレンズ面２２ａ（第８面）は平面、第２
レンズ２２のレンズ面２２ｂ（第９面）と補正用レンズ
３０のレンズ面３０ｂ（第１１面）は球面であり、補正
用レンズ３０の走査レンズ２０側のレンズ面３０ａ（第
１０面）は、主走査面内の非円弧曲線を光軸と垂直な主
走査方向の回転軸を中心に回転させた軌跡として定義さ
れる変形トーリック面である。

【００２６】回転対称な非球面は、光軸からの高さがｈ
となる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面か
らの距離（サグ量）をＸ（ｈ）、非球面の光軸上での曲
率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、
１０次の非球面係数をＡ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０とし
て、数１で表される。

【数１】

【００２７】また、変形トーリック面を規定する主走査
方向の非円弧曲線は、光軸からの主走査方向の高さがｈ
となる非円弧曲線上の座標点の非円弧曲線の光軸上での
接線からの距離（サグ量）をＸ（ｈ）、非円弧曲線の光
軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、４次、６
次、８次、１０次の非円弧係数をＡ４，Ａ６，Ａ８，Ａ
１０として、上記の非球面の数１と同一の式で表され
る。なお、表１における回転対称非球面、変形トーリッ
ク面の曲率半径は、それぞれの光学素子の光軸上の曲率
半径であり、円錐係数、非球面係数（非円弧係数）は表
２に示される。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】補正用レンズ３０のレンズ面３０ａは、上
記の式により定義される非円弧曲線を、この曲線と光軸
との交点から走査対象面４０側の方向に32.298mm離れた
位置で光軸に垂直に交差する主走査方向に対して平行な
回転軸を中心に回転させた軌跡として規定される。

【００３１】回折素子１５の回折面（第４面）の形状Ｓ
ＡＧ（ｈ）は、前記の非球面式（１）で表される巨視的
な形状Ｘ（ｈ）と、この巨視的形状に付加される回折作
用を持つためのサグ量Ｓ（ｈ）との和として数２で表さ
れる。

【数２】

【００３２】回折作用を持つためのサグ量Ｓ（ｈ）は、
回折レンズが持つべき光路長の付加量を光細から高さｈ
の関数として表した光格差関数△¢（ｂ）に基づいて求
められる。光格差関数△φ（ｈ）は数３で表される。

【数３】ここでＰ２、Ｐ４、・・・はそれぞれ２次、４次、６次
・・・の回折係数、λは設計波長である。この表現形式
ではh²の項の係数Ｐ２が負の時に近軸的に正のパワーを
持っことを意味する。h⁴の項の係数Ｐ４が正の時に周辺
に向かって負のパワーが増加する。

【００３３】回折作用を持つためのサグ量Ｓ（ｈ）は、
光路長の波長の整数倍の成分を消去したフレネルレンズ
状の光路長付加量を持つように、数４により求められ
る。

【数４】定数項Constは輪帯の境界位置の位相を設定する定数で
あり、０から１の任意の値をとる。MOD（Ｘ、Ｙ）はＸ
をＹで割った剰余を与える関数、nは回折素子１５の屈
折率、Ｂは軸外の光束が回折素子に斜めに入射するため
に生じる位相付加量の変化を補正するための係数であ
る。MOD（P2h²＋P4h⁴＋・・・＋Const， -1）の値が０
になる高さｈが輪帯の境になる。回折面１５ａは、非球
面関数Ｘ（ｈ）で表されるベース形状の上に、Ｓ（ｈ）
の光路差を持つように、勾配、段差を設定することによ
り得られる。なお、実施例では、全てConst＝０．５で
ある。光軸上を０として周囲に向けて数えた輪帯番号Ｎ
と光細からの高さｂとの関係は、数５により与えられ
る。

【数５】

【００３４】実施例１における回折面１５を規定するた
めの巨視的非球面形状Ｘ（ｈ）を規定するための円錐形
数Ｋ、非球面係数Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０、曲率Ｃ、
回折係数Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ８，Ｐ１０、補正係数Ｂ
の値は、以下の表３に示される通りである。なお、表中
の記号ｆｄは回折面の設計波長における焦点距離であ
る。実施例１においては、回折素子の回折面の各輪帯は
曲面であり、回折面が形成されていない面は平面であ
る。

【００３５】

【表３】

【００３６】図６は、実施例１の構成による走査光学系
の（Ａ）ｆθ誤差、（Ｂ）主走査方向、副走査方向の像
面湾曲、（Ｃ）倍率色収差による結像位置のずれをそれ
ぞれ示す。各グラフの縦軸は像高（走査対象面４０での
光軸からの主走査方向の距離）、横軸は各収差の発生量
であり、単位は全てｍｍである。図６（Ｃ）に示される
倍率色収差による結像位置のずれは、設計波長７８０ｎ
ｍに対して実際の波長が７６０ｎｍとなった場合、各像
高における結像位置（スポットの走査位置）が設計波長
における結像位置に対してどの程度ずれるかを示してい
る。

【００３７】

【実施例２】表４、５は、実施例２にかかる走査光学系
の回折素子を表す各係数の値を示す。実施例２では、回
折素子の回折面の各輪帯は光軸に対して垂直な平面であ
り、回折面が形成されていない側の面は凹の回転対称非
球面である。回折面を表す各係数の値は表４、回折面が
形成されていない側の面の円錐形数、非球面係数の値は
表５に示される。図７は、実施例２の構成による走査光
学系の（Ａ）ｆθ誤差、（Ｂ）主走査方向、副走査方向
の像面湾曲、（Ｃ）倍率色収差による結像位置のずれを
それぞれ示す。

【００３８】

【表４】

【００３９】

【表５】

【実施例３】表６は、実施例３にかかる走査光学系の回
折素子を表す各係数の値を示す。実施例３では、回折素
子の像面側に形成された回折面の各輪帯は実施例２と同
じく光軸に対して垂直な平面であり、回折面が形成され
ていないポリゴンミラー側の面は副走査方向にのみパワ
ーを有するシリンドリカル面（ｒｚ＝４００．００）で
ある。副走査方向における発散光束中に回折素子を配置
する場合、その巨視的形状が平行平面板であると、副走
査方向の像面がポリゴンミラーから離れる方向にシフト
する。シリンドリカル面は、この副走査方向における像
面のシフトを補正するために設けられている。図８は、
実施例３の構成による走査光学系の（Ａ）ｆθ誤差、
（Ｂ）主走査方向、副走査方向の像面湾曲、（Ｃ）倍率
色収差による経像位置のずれをそれぞれ示す。

【００４０】

【表６】

【００４１】図９は、実施例の構成から回折素子１５を
除いた場合の（Ａ）ｆθ誤差、（Ｂ）主走査方向、副走
査方向の像面湾曲、（Ｃ）倍率色収差による結像位置の
ずれをそれぞれ示す。図６〜８と図９とを比較すると、
ｆθ誤差が回折素子を設けることにより劣化するもの
の、倍率色収差による結像位置のずれは回折素子を設け
ることにより１／５〜１／１０程度に抑えられることが
理解できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、走査光学系の偏向器と走査対象面との間に色収差補
正作用を持つ回折面が形成された回折素子を設けること
により、全系の色収差を補正することができ、光源の発
光波長が設計波長からずれた場合にも、結像位置のずれ
を小さく抑えて描画位置の誤差を小さく抑えることがで
きる。また、既存の走査光学系に回折素子を付加するの
みで色収差を補正することができるため、全体の設計を
見直すよりも低コストで色収差が補正された走査光学系
を提供することができる。また、既存の走査光学系が偏
向器のカバーを有する構成であれば、そのカバー上に回
折面を形成することにより、新たに回折素子を設置する
ためのスペースを設ける必要が無くなり、既存の走査光
学系を構成する部材の数を増やすことなく色収差の補正
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態にかかる走査光学系の主走
査方向の平面図である。

【図２】実施例１の走査光学系の副走査方向の側面図で
ある。

【図３】回折素子の構成を槻念的に示す光軸と垂直な面
内での正面図である。

【図４】図３のIV−IVに沿った断面図である。

【図５】回折素子の他の例を示す図４と同様の断面図で
ある。

【図６】実施例１の走査光学系の（Ａ）ｆθ誤差、
（Ｂ）主走査方向、副走査方向の像面湾曲、（Ｃ）倍率
色収差による結像位置のずれを示すグラフである。

【図７】実施例２の走査光学系の（Ａ）ｆθ誤差、
（Ｂ）主走査方向、副走査方向の像面湾曲、（Ｃ）倍率
色収差による結像位置のずれを示すグラフである。

【図８】実施例３の走査光学系の（Ａ）ｆθ誤差、
（Ｂ）主走査方向、副走査方向の像面湾曲、（Ｃ）倍率
色収差による結像位置のずれを示すグラフである。

【図９】実施例の走査光学系から回折素子を除いた場合
の（Ａ）ｆθ誤差、（Ｂ）主走査方向、副走査方向の像
面湾曲、（Ｃ）倍率色収差による結像位置のずれを示す
グラフである。

【図１０】偏向器にカバーが設けられた走査光学系の副
走査方向の平面図である。

【符号の説明】

１０半導体レーザー１２シリンドリカルレンズ１４ポリゴンミラー１５回折素子１５ａ回折面２０走査用レンズ２１第１レンズ２２第２レンズ３０補正用レンズ４０走査対象面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から発した光束を偏向器により偏
向、走査させ、走査レンズを介して走査対象面上に結像
させる走査光学系において、前記偏向器と前記走査対象面との間に、前記走査レンズ
の色収差を補正するためにのみ作用する回折面を備える
ことを特徴とする走査光学系。
【請求項２】前記回折面は、近軸的にパワーを持たな
いことを特徴とする請求項１に記載の走査光学系。
【請求項３】前記回折面は、前記偏向器と前記走査レ
ンズとの間に配置される回折素子の１面に形成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の走査光学系。
【請求項４】前記回折素子は、近軸的にパワーを持た
ないことを特徴とする請求項３に記載の走査光学系。
【請求項５】前記回折面は、複数の輪帯が光軸を中心
に同心に形成されて構成され、その巨視的な形状が凹面
であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載
の走査光学系。
【請求項６】前記回折面の各輪帯は、互いに平行な平
面で構成されることを特徴とする請求項５に記載の走査
光学系。
【請求項７】前記回折素子の回折面が形成されていな
い側の一面は、平面であることを特徴とする請求項３〜
６のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項８】前記回折素子の回折面が形成されていな
い側の一面は、凹面であることを特徴とする請求項３〜
６のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項９】前記走査光学系は、前記偏向器を覆うカ
バー部材を備え、前記カバー部材には、前記偏向器によ
り偏向され前記走査対象面上に向かう光束が透過する窓
部が形成され、前記回折面は前記窓部に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の走査
光学系。