JP3459763B2 - レーザー走査光学系及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザー走査光学系
及びそれを用いた画像形成装置に関し、特に半導体レー
ザーより成る光源手段から出射した光束（レーザ光）を
回転多面鏡より成る光偏向器で偏向反射させた後、ｆθ
特性を有する走査レンズ系（ｆθレンズ）を介して被走
査面上を光走査して画像情報を記録するようにした、例
えば電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタ
（ＬＢＰ）やデジタル複写機等の装置に好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より光源手段から出射した光束を、
例えば回転多面鏡（ポリゴンミラー）より成る光偏向器
により周期的に偏向させ、走査レンズ系によって感光性
の記録媒体（感光ドラム）面上にスポット状に収束さ
せ、その面上を光走査して画像記録を行なうレーザー走
査光学系が、例えば特開平3-231218号公報で提案されて
いる。図３、図４は各々同公報で提案されているレーザ
ー走査光学系の主走査断面図及び副走査断面図である。

【０００３】同公報において半導体レーザーより成る光
源手段１０１から出射した光束（レーザ光）はコリメー
ターレンズ１０２により略平行光束に変換され、絞り１
０３によって該光束（光量）を制限して副走査断面内に
のみ所定の屈折力を有するシリンドリカルレンズ１０４
に入射している。シリンドリカルレンズ１０４に入射し
た略平行光束のうち主走査断面内においてはそのまま略
平行光束の状態で射出する。また副走査断面内において
は集束して回転多面鏡（ポリゴンミラー）から成る光偏
向器１０５の偏向面１０５ａにほぼ線像として結像して
いる。そして光偏向器１０５の偏向面１０５ａで偏向反
射された光束は正の屈折力を有する球面レンズ１０６
と、主走査方向及び副走査方向で共に正の屈折力を有す
るプラスチック材料で形成されたトーリックレンズ（プ
ラスチックトーリックレンズ）１０７とから成る走査レ
ンズ系（ｆθレンズ系）１１１を介して被走査面として
の感光ドラム面１０８上に集光され、該光偏向器１０５
を矢印Ａ方向に回転させることによって、該感光ドラム
面１０８上を矢印Ｂ方向（主走査方向）に略等速度直線
運動で光走査して画像情報の記録を行なっている。

【０００４】次に上記のレーザー走査光学系の具体的な
数値例を示す。

【０００５】 走査レンズ系の焦点距離 １８８ｍｍ 最大走査角 ９０．８° ポリゴン中心〜Ｒ１面 ７３．９３ｍｍ Ｒ１＝ ９８８．２５ Ｄ１＝２４ Ｎ１＝１．５１３２９ Ｒ２＝−１３５．８ Ｄ２＝５ Ｒ３ｍ＝−１３３４．５５８ Ｄ３＝７．５ Ｎ２＝１．５２１７９ Ｒ３ｓ＝−４２．９８４ Ｒ４ｍ＝−３４７．８３０ Ｄ４＝１７７．９８０ Ｒ４ｓ＝−２０．７４０ 非球面係数を表−５に示す。

【０００６】

【表１】 数値例においてＲｉは光偏向器側より順に第ｉ番目のレ
ンズ面の近軸曲率半径、Ｄｉは光偏向器側より第ｉ番目
のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉは光偏向器側より順に第
ｉ番目のレンズの材質の屈折率である。ｍ、ｓは各々主
走査方向および副走査方向を示す添字である。また光源
波長は６７５ｎｍ、ポリゴンミラーは６面体で外接円直
径５０ｍｍ、入射偏向角は６０°である。

【０００７】表−５において各次数の非球面係数ｋ、Ｂ
ｎ、Ｄｎはｘ−ｙ平面上でレンズ面の高さｙと距離ｘと
の関係式で表現される母線の関係式

【０００８】

【数１】 およびレンズ高さの関数で表現される子線の関係式 子線：ru'=ru(1+D2uY²+D4uY⁴+D6uY⁶+D8uY⁸+D10uY¹⁰) （但し、Y ≧ 0） ru'=rL(1+D2LY²+D4LY⁴+D6LY⁶+D8LY⁸+D10LY¹⁰) （但し、Y ＜ 0）で表わされる。

【０００９】このように設定されたレーザー走査光学系
において、主走査断面におけるトーリックレンズ１０７
の焦点距離をｆ２ａ、走査レンズ系（球面レンズ１０６
とトーリックレンズ１０７との合成）１１１の焦点距離
をｆａとしたとき、 ０．１＜ｆａ／ｆ２ａ＜０．３ ‥‥‥‥（１） なる条件式を満たすことが広画角化、高性能化、小型
化、プラスチックレンズの耐環境変動特性、そして価格
の点で優れたレーザー走査光学系を実現することができ
る。上記従来のレーザー走査光学系はｆａ／ｆ２ａ＝
０．２１であり、これは上記の条件式（１）を満足させ
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うにトーリックレンズ１０７のレンズ面に高次非球面を
用いた場合、該トーリックレンズ１０７は製作上、また
コスト的な理由から材質としてプラスチックを用いる必
要がある。しかしながらプラスチック材を用いたプラス
チックレンズは周知の如く熱（環境温度）に弱い（大き
く特性が変化する）ことからコーティングが難しく、ま
たコーティングによるコストアップがガラスレンズのコ
ーティングと比較して高いことから、コーティング無し
でプラスチックレンズを成形していることが多い。

【００１１】一般に走査画角によってレンズ面への光束
（光線）の入射角が変わるとフレネル反射率が変化し、
レンズ透過率に差が生じる。例えば半導体レーザーから
の光束（レーザ光）の偏光方向がｐ偏光、及びｓ偏光で
レンズ（光学素子）に入射する場合の振幅反射率は、該
光束が各レンズ面を屈折する前後の角度を各々θｉ、θ
ｏとしたとき次式で求められる。 ｐ成分振幅反射率： Ｒｐ＝ ｔａｎ（θｉ−θｏ）／ｔａｎ（θｉ＋θｏ） ‥‥‥（２） ｓ成分振幅反射率： Ｒｓ＝−ｓｉｎ（θｉ−θｏ）／ｓｉｎ（θｉ＋θｏ） ‥‥‥（３） フレネル反射率はこれらの式（２），（３）を各々２乗
して求められる。

【００１２】表−６（Ａ），（Ｂ）に従来のコーティン
グ無しのトーリックレンズのフレネル反射率及び軸上の
反射率を１に正規化したときの各像高（被走査面１０８
上での走査中心からの距離）、各画角でのフレネル反射
率の変化量を示す。

【００１３】

【表２】 表−６（Ａ），（Ｂ）から分かるように画角の増加と共
に入射面（第３面）側のフレネル反射率が変化し、従来
では全走査範囲での変化量が最大で略１５％に達してい
る。これは感光ドラム面を走査するレーザスポットにエ
ネルギー強度差が生じ、走査領域の中央部と両端部とで
走査線の太さ、濃度が変化して画像を劣化させる原因と
なる。

【００１４】このように従来のレーザー走査光学系にお
いては走査画角によってレンズ面への光束（光線）の入
射角が変わるとフレネル反射率が大きく変化し、レンズ
透過率に差が生じ、この結果、良好なる画像を得ること
が難しかった。

【００１５】本発明の第１の目的はプラスチック材料で
形成されたトーリックレンズの少なくとも一方のレンズ
面を主走査断面内で球面レンズを透過した光束に対して
ほぼ垂直となる非球面形状とすることにより、反射率特
性の変化による画像劣化を防止することができると共に
被走査面を略均一な光強度（エネルギー強度）で照射す
ることができるレーザー走査光学系の提供にある。

【００１６】本発明の第２の目的は上記のレーザー走査
光学系を用いて画像形成を行なうことにより、走査線の
太さ、濃度について良好なる画像を形成することができ
る画像形成装置の提供にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザー走査光
学系は、(1) 光源手段から出射した光束を偏向手段に導
光し、該偏向手段で偏向反射された光束を走査レンズ系
により被走査面上に導光し、該被走査面上を光走査する
レーザー走査光学系において、該走査レンズ系は球面レ
ンズと、主走査方向及び副走査方向とで共に正の屈折力
を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレン
ズとを有し、該トーリックレンズの少なくとも一方のレ
ンズ面は主走査断面内で、該球面レンズを透過した光束
に対してほぼ垂直な非球面形状より成ることを特徴とし
ている。

【００１８】特に(1-1) 前記トーリックレンズの非球面
形状より成るレンズ面は、全走査範囲にわたって略一定
のフレネル反射率特性を有することや、(1-2) 前記球面
レンズは正の屈折力を有していることや、(1-3) 前記球
面レンズはガラス材料で形成されていることや、(1-4)
前記トーリックレンズの非球面形状より成るレンズ面の
全走査範囲にわたるフレネル反射率の変化量は１０％以
下であること、等を特徴としている。

【００１９】本発明の画像形成装置は、(2) 上記(1),(1
-1),(1-2),(1-3),(1-4) のいずれか１項記載のレーザー
光走査光学系を用いて画像形成を行なうことを特徴とし
ている。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１のレー
ザー走査光学系をレーザービームプリンター（ＬＢＰ）
等の画像形成装置に適用したときの主走査方向の要部断
面図（主走査断面図）である。

【００２１】図中、１は光源手段であり、例えば半導体
レーザーより成っている。２はコリメーターレンズであ
り、光源手段１から出射された光束（レーザ光）を略平
行光束に変換している。３は開口絞り（アパーチャ）で
あり、通過光束（光量）を制限している。

【００２２】４はシリンドリカルレンズ部であり、プラ
スチックレンズ４ａとガラスレンズ４ｂとの２枚のレン
ズより成っており、副走査断面内にのみ所定の屈折力を
有しており、開口絞り３を通過した光束を副走査断面内
で後述する光偏向器５の偏向面にほぼ線像として結像さ
せている。シリンドリカルレンズ部４は後述するプラス
チック材料で形成されたトーリックレンズ７の環境変動
によって生ずる副走査方向のピント変動を相殺してい
る。尚、コリメーターレンズ２、開口絞り３、そしてシ
リンドリカルレンズ部４は各々入射光学手段の一要素を
構成している。

【００２３】５は偏向手段としての光偏向器であり、例
えば回転多面鏡（ポリゴンミラー）より成っており、モ
ータ等の駆動手段（不図示）により所定方向に一定速度
で回転している。

【００２４】１１はｆθ特性を有する走査レンズ系（ｆ
θレンズ系）であり、正の屈折力を有するガラス材料で
形成された球面レンズ６と、該球面レンズ６の被走査面
８側に配され主走査方向と副走査方向とで共に正の屈折
力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレ
ンズ（プラスチックトーリックレンズ）７とを有してい
る。尚、トーリックレンズ７にはコーティング膜が施さ
れていない。

【００２５】本実施形態では後述する数値例に示すよう
にトーリックレンズ７の両レンズ面（第３、第４面）を
主走査断面内で、球面レンズ６を透過した光束（光線）
に対してほぼ垂直となる非球面形状より形成しており、
該トーリックレンズ７を透過する光束が全走査角（全走
査範囲）にわたって略一定のフレネル反射率特性を有す
るように形成している。

【００２６】尚、本明細書において略一定とは全走査範
囲にわたるフレネル反射率の変化量が１０％以下のこと
を意味する。

【００２７】走査レンズ系１１は光偏向器５の偏向面に
よって偏向反射された画像情報に基づく光束を被走査面
としての感光ドラム面８上に結像させ、かつ該光偏向器
５の偏向面の面倒れを補正している。

【００２８】９は窓ガラスであり、高速回転する光偏向
器（回転多面鏡）５を汚れから保護している。１０は防
塵ガラスであり、感光ドラム面８から拡散するトナーの
汚れから光学系を保護している。

【００２９】本実施形態において半導体レーザー１より
出射した光束はコリメーターレンズ２により略平行光束
に変換され、開口絞り３によって該光束（光量）を制限
してシリンドリカルレンズ部４に入射している。シリン
ドリカルレンズ部４に入射した光束のうち主走査断面内
においてはそのまま略平行光束の状態で射出する。また
副走査断面内においては収束して光偏向器５の偏向面に
ほぼ線像（主走査方向に長手の線像）として結像してい
る。そして偏向器５の偏向面で偏向反射された光束は球
面レンズ６とトーリックレンズ７とから成る走査レンズ
系１１を介して感光ドラム面８上に導光される。このと
き主走査断面内においては球面レンズ６を透過後の各偏
向反射された光束（光線）が、それぞれトーリックレン
ズ７のレンズ面に対し略垂直に入射し、正の屈折力を受
けて感光ドラム面８上に結像している。そして光偏向器
５を所定方向に回転させることによって、該感光ドラム
面８上を図中矢印Ｂ方向（主走査方向）に略等速度直線
運動で光走査している。これにより記録媒体としての感
光ドラム面８上に画像記録を行なっている。

【００３０】次に本実施形態の具体的な数値例１を以下
に示す。

【００３１】 走査レンズ系の焦点距離 ２７０ｍｍ 最大走査角 ６４．３° ポリゴン中心〜Ｒ１面 ９３．０８ｍｍ Ｒ１＝ ９９９．７３ Ｄ１＝２０ Ｎ１＝１．５１３２９ Ｒ２＝−２０１．１２ Ｄ２＝８ Ｒ３ｍ＝−１６７３．３９ Ｄ３＝９．４ Ｎ２＝１．５２６８７８ Ｒ３ｓ＝−６６．４７２ Ｒ４ｍ＝−５２３．２５５ Ｄ４＝２５７．４５ Ｒ４ｓ＝−２７．４５ 非球面係数を表−１に示す。

【００３２】

【表３】 数値例においてＲｉは光偏向器側より順に第ｉ番目のレ
ンズ面の近軸曲率半径、Ｄｉは光偏向器側より第ｉ番目
のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉは光偏向器側より順に第
ｉ番目のレンズの材質の屈折率である。ｍ、ｓは各々主
走査方向および副走査方向を示す添字である。また光源
波長は６７５ｎｍ、ポリゴンミラーは８面体で外接円直
径６５ｍｍ、入射偏向角は５３°である。

【００３３】表−１において各次数の非球面係数ｋ、Ｂ
ｎ、Ｄｎはｘ−ｙ平面上でレンズ面の高さｙと距離ｘと
の関係式で表現される母線の関係式

【００３４】

【数２】 およびレンズ高さの関数で表現される子線の関係式 子線：ru'=ru(1+D2uY²+D4uY⁴+D6uY⁶+D8uY⁸+D10uY¹⁰) （但し、Y ≧ 0） ru'=rL(1+D2LY²+D4LY⁴+D6LY⁶+D8LY⁸+D10LY¹⁰) （但し、Y ＜ 0）で表わされる。

【００３５】このように設定されたレーザー走査光学系
において、前述の如く主走査断面におけるトーリックレ
ンズ７の焦点距離をｆ２ａ、走査レンズ系（球面レンズ
６とトーリックレンズ７との合成）１１の焦点距離をｆ
ａとしたとき、 ０．１＜ｆａ／ｆ２ａ＜０．３ ‥‥‥‥（１） なる条件式を満たすことが広画角化、高性能化、小型
化、プラスチックレンズの耐環境変動特性、そして価格
の点で優れたレーザー走査光学系を実現することができ
る。本実施形態のレーザー走査光学系はｆａ／ｆ２ａ＝
０．１８であり、これは上記の条件式（１）を満足させ
ている。

【００３６】表−２（Ａ），（Ｂ）にトーリックレンズ
７を透過する光束（光線）の角度、フレネル反射率、及
び軸上の反射率を１に正規化したときの各像高（被走査
面８上での走査中心からの距離）、各画角でのフレネル
反射率の変化量を示す。

【００３７】

【表４】 表−２（Ａ），（Ｂ）から分かるように本実施形態のト
ーリックレンズ７の各レンズ面のフレネル反射率の変化
量は全走査範囲において４％以下であり、これは前述し
た従来の反射率の変化量が１４％を越える値に対して略
１／３にまでに改善させている。

【００３８】このように本実施形態においては上述の如
くプラスチックレンズより成るトーリックレンズ７を透
過する光束が全走査角（全走査範囲）にわたって略一定
のフレネル反射率特性をもつように、該トーリックレン
ズ７の両レンズ面のレンズ形状を適切に形成することに
より、該トーリックレンズ７の透過率は走査角に依存せ
ず、被走査面上を略均一な光強度で照射することがで
き、これにより良好なる画像を形成している。

【００３９】図２は本発明の実施形態２のレーザー走査
光学系をレーザービームプリンタ（ＬＢＰ）等の画像形
成装置に適用したときの主走査方向の要部断面図（主走
査断面図）である。同図において図１に示した要素と同
一要素には同符番を付している。

【００４０】本実施形態において前述の実施形態１と異
なる点は球面レンズ及びトーリックレンズの各々のレン
ズ形状を異ならせて形成し、特に球面レンズ及びトーリ
ックレンズのレンズ厚さ（肉厚）を実施形態１より薄型
化にして形成したことである。その他の構成及び光学的
作用は前述の実施形態１と略同様であり、これにより同
様な効果を得ている。

【００４１】即ち、同図において２１はｆθ特性を有す
る走査レンズ系であり、正の屈折力を有するガラス材料
で形成された球面レンズ２６と、該球面レンズ２６の被
走査面８側に配され主走査方向と副走査方向とで共に正
の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリ
ックレンズ２７とを有している。

【００４２】本実施形態においては後述する数値例に示
すように前述の実施形態１と同様にトーリックレンズ２
７の両レンズ面（第３、第４面）を主走査断面内で、球
面レンズ２６を透過した光束に対してほぼ垂直となる非
球面形状より形成しており、該トーリックレンズ２７を
透過する光束が全走査角（全走査範囲）にわたって略一
定のフレネル反射率特性を有するように形成している。

【００４３】本実施形態のトーリックレンズ２７のレン
ズ形状によれば前述の実施形態１と同様に主走査断面に
おいて球面レンズ２６を透過後の各偏向反射された光束
（光線）が、それぞれ該トーリックレンズ２７のレンズ
面に対しほぼ垂直に入射し、正の屈折力を受けて感光ド
ラム面８上に結像する。

【００４４】次に本実施形態の具体的な数値例２を前述
したパラメータを用いて以下に示す。

【００４５】 走査レンズ系の焦点距離 ２７０ｍｍ 最大走査角 ６４．３° ポリゴン中心〜Ｒ１面 １００．７ｍｍ Ｒ１＝１０１０．１０ Ｄ１＝１３ Ｎ１＝１．５１３２９ Ｒ２＝−１８８．８４ Ｄ２＝１１．６ Ｒ３ｍ＝−１６４２．００２ Ｄ３＝７．５ Ｎ２＝１．５２６８７８ Ｒ３ｓ＝−６７．５０５ Ｒ４ｍ＝−６２３．０６８ Ｄ４＝２５５．２７６ Ｒ４ｓ＝−２８．１５１ 非球面係数を表−３に示す。

【００４６】

【表５】 本実施形態のレーザー走査光学系はｆａ／ｆ２ａ＝０．
１４であり、これは前述した条件式（１）を満足させて
いる。

【００４７】表−４（Ａ），（Ｂ）に本実施形態のトー
リックレンズ２７を透過する光束（光線）の角度、フレ
ネル反射率、及び軸上の反射率を１に正規化したときの
各像高（被走査面８上での走査中心からの距離）、各画
角でのフレネル反射率の変化量を示す。

【００４８】

【表６】 表−４（Ａ），（Ｂ）から分かるように本実施形態のト
ーリックレンズ２７の各レンズ面のフレネル反射率の変
化量は全走査範囲において８％以下であり、これは前述
した従来の反射率の変化量が１４％を越える値に対して
略１／２にまでに改善させている。

【００４９】このように本実施形態においては上述の如
くプラスチックレンズより成るトーリックレンズ２７を
透過する光束が全走査角（全走査範囲）にわたって略一
定のフレネル反射率特性をもつように、該トーリックレ
ンズ２７の両レンズ面のレンズ形状を適切に形成するこ
とにより、小型化、価格、耐環境変動特性で更に優れた
ものになると共に、該トーリックレンズ２７の薄型化に
より複屈折の発生を抑制し、副走査方向の結像性能の改
善を図っている。

【００５０】

【発明の効果】第１の発明によれば前述の如くプラスチ
ック材料で形成されたトーリックレンズの少なくとも一
方のレンズ面を主走査断面内で球面レンズを透過した光
束に対してほぼ垂直となる非球面形状とすることによ
り、反射率特性の変化による画像劣化を防止することが
できると共に被走査面を略均一な光強度（エネルギー強
度）で照射することができるレーザー走査光学系を達成
することができる。

【００５１】第２の発明によれば前述の如く上記レーザ
ー走査光学系を用いて画像形成を行なうことにより、走
査線の太さ、濃度について良好なる画像を形成すること
ができる画像形成装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の主走査断面図

【図２】 本発明の実施形態２の主走査断面図

【図３】 従来の走査光学系の主走査断面図

【図４】 従来の走査光学系の副走査断面図

【符号の説明】

１ 光源手段 ２ コリメーターレンズ ３ 開口絞り ４ シリンドリカルレンズ部 ４ａ プラスチックレンズ ４ｂ ガラスレンズ ５ 偏向手段（光偏向器） ６，２６ 球面レンズ ７，２７ トーリックレンズ ８ 被走査面（感光ドラム面） ９ 窓ガラス １０ 防塵ガラス １１，２１走査レンズ系

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源手段から出射した光束を偏向手段に
   導光し、該偏向手段で偏向反射された光束を走査レンズ
   系により被走査面上に導光し、該被走査面上を光走査す
   るレーザー走査光学系において、 該走査レンズ系は球面レンズと、主走査方向及び副走査
   方向とで共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形
   成されたトーリックレンズとを有し、 該トーリックレンズの少なくとも一方のレンズ面は主走
   査断面内で、該球面レンズを透過した光束に対してほぼ
   垂直な非球面形状より成ることを特徴とするレーザー走
   査光学系。
2. 【請求項２】 前記トーリックレンズの非球面形状より
   成るレンズ面は、全走査範囲にわたって略一定のフレネ
   ル反射率特性を有することを特徴とする請求項１のレー
   ザー走査光学系。
3. 【請求項３】 前記球面レンズは正の屈折力を有してい
   ることを特徴とする請求項１のレーザー走査光学系。
4. 【請求項４】 前記球面レンズはガラス材料で形成され
   ていることを特徴とする請求項１のレーザー光走査光学
   系。
5. 【請求項５】 前記トーリックレンズの非球面形状より
   成るレンズ面の全走査範囲にわたるフレネル反射率の変
   化量は１０％以下であることを特徴とする請求項１又は
   ２のレーザー光走査光学系。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１項記載のレ
   ーザー光走査光学系を用いて画像形成を行なうことを特
   徴とする画像形成装置。