JP3548499B2

JP3548499B2 - Scanning optical system

Info

Publication number: JP3548499B2
Application number: JP2000135454A
Authority: JP
Inventors: 淳二上窪
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 2000-05-09
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2020-05-09
Also published as: JP2001318332A

Description

【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、ｆθ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】
このような走査光学系において、半導体レーザーの発光波長のばらつきによる描画性能の変化を抑えるためには、光学系の倍率色収差を小さく抑える必要がある。特に、一走査で複数の走査線を形成するために複数の光源を備えたマルチビームの走査光学系においては、各光源毎の発光波長のばらつきを補正するため、倍率色収差の補正が必須となる。一般に、色収差は分散の異なる複数の材質のレンズを組み合わせることにより補正されるが、このような構成ではレンズ数が多くなり、かつ、使用できる材料が制限されるという問題がある。
【０００４】
そこで、屈折型の走査レンズと回折レンズとを組み合わせることにより、倍率色収差を補正する技術が従来から知られている。例えば特開平１１−０９５１４５号公報に開示される光学系は、ポリゴンミラーとｆθレンズとの間に回折面が形成された補正素子を有し、これによりｆθレンズの倍率色収差を補正している。また、この公報には、ポリゴンミラーを回転ノイズ防止用のカバーで覆う場合に、補正素子をそのカバーガラスとして兼用できることが指摘されている。
【０００５】
なお、上記の公報のように光源からポリゴンミラーに入射する光束の中心軸と走査レンズの光軸とが同一の平面内で所定の角度をなす光学系では、ポリゴンミラーをカバーで覆う場合に、光源からポリゴンミラーへの入射光束を透過させる部分と、ポリゴンミラーからの反射光を走査レンズ側へ透過させる部分とにカバーガラスを設ける必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の公報に開示される走査光学系では、補正素子をカバーガラスとして兼用する場合、補正素子がｆθレンズの光軸に対して垂直に配置されているため、これとは別個に光源とポリゴンミラーとの間にもカバーガラスを設けなければならず、かつ、補正素子の表面での不要な反射光がゴースト光として走査対象面に達しやすいという問題がある。
【０００７】
一方、補正素子であるカバーガラスをｆθレンズの光軸に対して傾ければ、２つの透過部分を単一のカバーガラスで覆うことはできるが、この場合には、補正素子がｆθレンズの光軸に対して垂直な場合と比較して、倍率色収差によるスポットのズレ量が大きくなる。
【０００８】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、走査レンズの倍率色収差補正用の回折面をポリゴンカバーのカバーガラス上に設けた場合にも、カバーガラスの枚数を増やすことなく、ゴースト光の影響を抑え、倍率色収差によるスポットのズレ量を小さく抑えることが可能な走査光学系の提供を目的とする。
【０００９】
【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、上記の目的を達成させるため、光源から発する光束を回転駆動される偏向器により偏向させ、走査レンズにより走査対象面上に結像させる構成において、偏向器と走査対象面との間の光路中に、回折面を有して走査レンズの色収差を補正する回折素子を、走査レンズの光軸との交点における法線が主走査方向において光軸に対して傾くように配置し、回折面による光路長の付加量を、主走査方向において光軸を基準に非対称に変化するよう設定したことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、回折素子を走査レンズの光軸に対して傾けて配置した場合に発生する色収差補正作用の非対称成分の少なくとも一部を、回折面による光路長の付加量の変化を非対称にすることにより相殺することができ、倍率色収差を小さく抑えることが可能となる。
【００１１】
回折面による光路長の付加量は、光軸からの主走査方向の距離Ｙ、ｎ次の光路差関数係数Ｐｎ、波長λを用いて、
φ（ｈ）＝（Ｐ_１Ｙ＋Ｐ_２Ｙ^２＋Ｐ_３Ｙ^３＋Ｐ_４Ｙ^４＋Ｐ_５Ｙ^５＋Ｐ_６Ｙ^６＋…）×λ
により定義される光路差関数φ（ｈ）により表わされる。光源から偏向器に入射する光束の中心軸と走査レンズの光軸とが同一の平面内で所定の角度をなすとき、１次の光路差関数係数Ｐ_１は、回折素子が光源側の端部を偏向器に近接させる方向に傾けられている場合にはＰ_１≧０の条件を満たし、回折素子が光源側の端部を偏向器から離反させる方向に傾けられている場合にはＰ_１＜０の条件を満たすことが望ましい。
【００１２】
なお、回折面の巨視的形状は、主走査方向に対応する長手方向の回転軸を有するアナモフィック面とすることができる。
【００１３】
【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等の走査対象面上で走査させ、静電潜像を形成する走査光学系である。この明細書では、走査対象面上でスポットが走査する方向を主走査方向、これに直交する方向を副走査方向と定義し、各光学素子の形状、パワーの方向性は、走査対象面上での方向を基準に説明することとする。
【００１４】
実施形態にかかる走査光学系は、主走査方向の平面図である図１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に入射させる。ポリゴンミラー１４の反射面１４ａで反射、偏向されたレーザー光は、ｆθ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。
【００１５】
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１２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。
【００１６】
ポリゴンミラー１４の周囲には、図１に破線で示すようにノイズ防止用のカバー１５が取り付けられており、このカバー１５のカバーガラスとして回折素子１６が取り付けられている。回折素子１６は、ポリゴンミラー１４側の面１６ａが平坦面であり、ｆθレンズ２０側の面１６ｂの一部にｆθレンズ２０の倍率色収差を補正するための回折面が光軸との交点Ａを中心に形成されている。
【００１７】
実施形態の走査光学系は、半導体レーザー１０からポリゴンミラー１４に入射する光束の中心軸Ａｘ０とｆθレンズ２０の光軸Ａｘ１とが同一の平面内（主走査平面内）で所定の角度をなして交差するため、カバー１５には半導体レーザー１０からポリゴンミラー１４への入射光束を透過させる部分と、ポリゴンミラー１４からの反射光をｆθレンズ２０側へ透過させる部分とにカバーガラスを設ける必要がある。
【００１８】
実施形態の回折素子１６は、光軸との交点Ａにおける法線Ａｘ２がｆθレンズ２０の光軸Ａｘ１に対して傾くように配置されている。また、回折素子１６は、法線Ａｘ２と光軸Ａｘ１とが一致する場合を基準として、回折素子１６の半導体レーザー１０側の端部がポリゴンミラー１４に対して近接する方向（図中時計回り方向）に傾くよう配置されており、これにより１枚の回折素子１６で上記の２つの光路がカバーされている。
【００１９】
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ｆθレンズ２０に入射する。ｆθ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。第１レンズ２１と第２レンズ２２とは、いずれも光軸回りに回転対称なレンズ面のみから構成されるレンズであり、ｆθレンズ２０は全体として正のパワーを有している。
【００２０】
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ｆθレンズ２０側のレンズ面は、副走査方向の実効的な屈折力が中心から周辺に向けて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。
【００２１】
次に、図２及び図３に基づき、回折素子１６の形状について説明する。図２は、回折素子１６をｆθレンズ２０側から見た正面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【００２２】
回折素子１６は、図２及び図３に示されるように、その長手方向の一方側が半導体レーザー１０からの光束を透過させる非回折領域Ｒ１、他方側がポリゴンミラー１４からの反射光を透過させる回折領域Ｒ２として形成されている。回折素子１６のポリゴンミラー１４側の面１６ａは非回折領域Ｒ１が平面、回折領域Ｒ２が回転対称な非球面である。ただし、面１６ａの回折領域Ｒ２は曲率が小さいため、図３では平面として示されている。一方、回折素子１６のｆθレンズ２０側の面１６ｂは、非回折領域Ｒ１が平面、回折領域Ｒ２が回折面として形成されている。
【００２３】
回折面は、光軸との交点を中心に、光路長の付加量が主走査方向において非対称となるように形成されている。回折面は、図３に示すように階段状の領域を有し、各領域の境界は図２に示すように主走査方向に対して垂直になる。回折面による光路長の付加量は、主走査方向にのみ変化し、一つの主走査方向の位置においては、付加量は副走査方向の位置にかかわらず一定である。なお、図２及び図３では、理解を容易にするため階段状の領域の数を実際より少なく、かつ、領域間の段差を実際より誇張して示している。輪帯は、図３に示されるように、光軸との交点Ａにおける法線Ａｘ２に対して垂直な平面であり、階段状に光軸との交点Ａ上が最も低く（ポリゴンミラー１４に近く）、周辺に向けて徐々に高く（ポリゴンミラー１４から遠く）なるよう加工されており、回折面は全体として凹面である。なお、回折素子１６は、光軸との交点Ａの近傍ではパワーを持たず、かつ、解説面の巨視的形状はトーリック面である。
【００２４】
次に、上述した走査光学系の具体的な数値例である実施例を３例示す。
実施例の説明の前に、回折面の表現形式について説明する。回折面の形状は、光軸からの距離ｈにおける光軸と回折面との交点での接平面からのサグ量ＳＡＧ（ｈ）で表すことができ、かつ、そのサグ量ＳＡＧ（ｈ）は以下の式（１）で表される。
ＳＡＧ（ｈ）＝Ｘ（ｈ）＋Ｓ（ｈ） …（１）
ここで、Ｘ（ｈ）は回折面の巨視的形状（ベースカーブ）で、以下のように表される。
Ｘ（ｈ）＝ｈ^２／［ｒ［１＋√（１−（κ＋１）ｈ^２／ｒ^２）］］＋Ａ_４ｈ^４＋Ａ_６ｈ^６＋Ａ_８ｈ^８＋Ａ_１０ｈ^１０…（２）
上式中、ｒは光軸上の曲率半径、κは円錐係数、Ａ_４，Ａ_６，Ａ_８，Ａ_１０はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
【００２５】
一方、回折面が持つべき光路長付加量φ（ｈ）は、光軸からの高さｈの点の光軸からの主走査方向の距離Ｙ、ｎ次の光路差関数係数をＰｎ、波長をλとして、以下の式（３）により求められる。
φ（ｈ）＝（Ｐ_１Ｙ＋Ｐ_２Ｙ^２＋Ｐ_３Ｙ^３＋Ｐ_４Ｙ^４＋Ｐ_５Ｙ^５＋Ｐ_６Ｙ^６＋…）×λ …（３）
式（１）中のＳ（Ｙ）は、この光路長付加量φ（Ｙ）に基づいて以下の式（４）により求められる値であり、主走査方向に変化する階段状のサグ量を表す。
Ｓ（ｈ）＝［｜ＭＯＤ（Δφ（ｈ）＋Ｃ，−１）｜−Ｃ］λ／［ｎ−１］ …（４）
ここで、ＭＯＤ（Ｘ、Ｙ）はＸをＹで割った剰余を与える関数、Ｃ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（以下の実施例では、Ｃ＝０．５）。
また、回折レンズ面の各輪帯の番号Ｎは、光軸上の領域を０として、以下の式（５）により表される。ＩＮＴ（Ｘ）は、Ｘの整数部分を与える関数である。
Ｎ＝ＩＮＴ（｜Δφ（ｈ）／λ＋Ｃ｜） …（５）
【００２６】
【実施例１】
表１は、実施例１の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ１２より走査対象面４０側の構成を示す。表中の記号ｆは走査光学系の主走査方向の焦点距離、ｒｙは各光学素子の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、ｎは波長７８０ｎｍでの屈折率である。
【００２７】
表中、第１面及び第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面及び第５面が回折素子１６、第６面及び第７面がｆθレンズ２０の第１レンズ２１、第８面及び第９面が第２レンズ２２、第１０面及び第１１面が補正用レンズ３０を示す。回折素子１６は、光軸との交点Ａにおける法線Ａｘ２がｆθレンズ２０の光軸Ａｘ１に対して半導体レーザー１０が配置された側に１０度傾くように配置されている。
【００２８】
【表１】

【００２９】
第１面はシリンドリカル面、第２面、第３面、第８面は平面、第９面、第１１面は球面である。また、第４面、第６面、第７面は回転対称な非球面であり、その形状は上記の式（２）で表される。これらの非球面の円錐係数、非球面係数は以下の表２に示される。
【００３０】
【表２】

【００３１】
第５面は回折面である。回折面は、トーリック面をベースカーブとして、所定の光路差関数で表される回折レンズ構造を形成することにより構成されている。回折面のベースカーブを規定するトーリック面は、主走査方向の形状が上記の式（２）で示される非円弧曲線であり、この曲線を主走査方向と平行な回転軸を中心に回転させた軌跡として定義される。この非円弧曲線を定義する円錐係数、非球面係数、回折レンズ構造を規定する光路差関数の係数は、以下の表３に示されている。なお、回折面の回折成分の設計波長７８０ｎｍでの焦点距離は１１４１．１ｍｍである。
【００３２】
【表３】

【００３３】
第１０面は、光軸から離れた位置での副走査方向の曲率半径が主走査方向の断面形状とは無関係に設定された回転軸を持たない非球面であり、主走査方向の断面形状は前記の式（２）、主走査方向の各位置ｈにおける副走査方向の曲率半径ｒｚ（ｈ）は、光軸上での副走査方向の曲率半径をｒｚ_０として、以下の式（６）により求められる。
１／ｒｚ（ｈ）＝（１／ｒｚ_０）＋Ｂ_１ｈ＋Ｂ_２ｈ^２＋Ｂ_３ｈ^３＋Ｂ_４ｈ^４＋Ｂ_５ｈ^５＋Ｂ_６ｈ^６＋Ｂ_７ｈ^７＋Ｂ_８ｈ^８ …（６）
第１０面を規定する各係数は、以下の表４に示される。
【００３４】
【表４】

【００３５】
続いて、図４及び図５に基づいて、上記の走査光学系における回折素子１６の配置と倍率色収差との関係について説明する。各グラフは、設計波長である７８０ｎｍのレーザー光により走査対象面上に形成されるスポット位置を基準として、７９０ｎｍのレーザー光により走査対象面上に形成されるスポットの主走査方向のズレを像高（主走査方向の走査位置）に応じてプロットしたものである。各図の横軸は倍率色収差量（単位：ｍｍ）、縦軸は像高（単位：ｍｍ）を示している。像高は、光軸上を０とし、半導体レーザー１０が設けられている側をマイナス、反対側をプラスとして符号を付している。
【００３６】
色収差補正用の回折素子が設けられていない場合には、図４（Ａ）に示すように、倍率色収差はマイナス像高からプラス像高にかけて単調に増加する。これを補正するために、光路長の付加量が光軸に対して対称に変化する回折素子を光軸Ａｘ１に対して垂直に配置すると、図４（Ｂ）に示すように、倍率色収差は小さくなる。ただし、カバーガラスとして用いる場合には、回折素子１６とは別個に半導体レーザー１０からの光束を入射させるカバーガラスが必要となり、かつ、ゴーストの影響を受けやすい。
【００３７】
ここで、上記の垂直配置の状態から、上記の回折素子を図１中時計回りに１０度回転させる。この場合には、半導体レーザー１０からの光束と、ポリゴンミラー１４からの反射光とを１枚の回折素子により透過させることができる。しかしながら、回折素子１６の一方の端部がポリゴンミラー１４に対して近接し、他方の端部がポリゴンミラー１４から離反するため、同一の偏向角の光束が、離反する側では光軸との交点Ａから遠い階段領域に入射し、近接する側では光軸との交点Ａに近い階段領域に入射する。光路長の付加量が光軸に対して対称に変化する回折素子の倍率色収差の補正効果は、光軸との交点Ａからの距離に応じて次第に大きくなるため、離反する側では色収差が補正過剰、近接する側では補正不足となる。このため、倍率色収差は図４（Ｃ）に示すような弓形となる。この状態では、軸上での収差はゼロになるものの、周辺部での収差量がかなり大きくなる。図４（Ａ）と比較すると、プラス像高では補正過剰、マイナス像高では補正不足となっていることが理解できる。
【００３８】
図５（Ａ）は、実施例１の配置における倍率色収差を示す。光路差関数係数の奇数次の項を含ませて回折面による光路長の付加量を光軸との交点に対して非対称にすることにより、斜め配置に起因する色収差補正効果の非対称成分を打ち消し、各像高において倍率色収差の発生を小さく抑えることができる。なお、実施例１では、回折素子１６が半導体レーザー１０側の端部をポリゴンミラー１４に近接させる方向に傾けられており、Ｐ_１＝０でＰ_１≧０の条件を満たしている。
【００３９】
【実施例２】
次に、実施例２について説明する。実施例２は、実施例１に対して回折素子１６を変更して構成され、光学系の他の構成は実施例１と同一である。以下の表５及び表６は、それぞれ実施例２にかかる走査光学系における回折素子１６のポリゴンミラー側の面１６ａ（表１の第４面）、及びｆθレンズ２０側の面１６ｂ（表１の第５面）を規定する各係数を示す。すなわち、表５には、回転対称非球面である第４面１６ａを規定する軸上の曲率半径ｒ、円錐係数κ、各非球面係数Ａｎが示される。また、表６には、回折面のベースカーブであるトーリック面を規定する主走査、副走査方向の曲率半径ｒｙ、ｒｚ、非円弧曲線を規定する円錐係数κ、各非球面係数Ａｎと、回折レンズ構造を規定する光路差関数係数とが示される。
【００４０】
実施例２の回折素子１６は、実施例１と同様に、光軸との交点Ａにおける法線Ａｘ２がｆθレンズ２０の光軸Ａｘ１に対して半導体レーザー１０が配置された側に１０度傾くように配置されている。なお、回折面の回折成分の設計波長７８０ｎｍでの焦点距離は１１３３．０ｍｍである。
【００４１】
【表５】

【００４２】
【表６】

【００４３】
図５（Ｂ）は、実施例２の配置における倍率色収差を示す。実施例１同様、倍率色収差の発生を小さく抑えることができる。なお、実施例２では、回折素子１６が半導体レーザー１０側の端部をポリゴンミラー１４に近接させる方向に傾けられており、Ｐ_１＝１．０６１９０でＰ_１≧０の条件を満たしている。
【００４４】
【実施例３】
次に、実施例３について説明する。実施例３は、実施例１に対して回折素子１６を変更して構成され、光学系の他の構成は実施例１と同一である。以下の表７及び表８は、それぞれ実施例３にかかる走査光学系における回折素子１６のポリゴンミラー側の面１６ａ（表１の第４面）、及びｆθレンズ２０側の面１６ｂ（表１の第５面）を規定する各係数を示す。
【００４５】
実施例３の回折素子１６は、実施例１、２とは異なり、光軸との交点Ａにおける法線Ａｘ２がｆθレンズ２０の光軸Ａｘ１に対して半導体レーザー１０が配置された側とは反対側に１０度傾くように配置されている。なお、回折面の回折成分の設計波長７８０ｎｍでの焦点距離は９８４．２ｍｍである。
【００４６】
【表７】

【００４７】
【表８】

【００４８】
図５（Ｃ）は、実施例３の配置における倍率色収差を示す。実施例１同様、倍率色収差の発生を小さく抑えることができる。なお、実施例３では、回折素子１６が半導体レーザー１０側の端部をポリゴンミラー１４から離反させる方向に傾けられており、Ｐ_１＝−１．４０６９３でＰ_１＜０の条件を満たしている。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、走査レンズの倍率色収差を補正するための回折素子が、光軸に対して主走査方向に傾いて配置されている場合にも、倍率色収差を小さく抑えることかできる。したがって、ポリゴンカバーのカバーガラスを回折素子として兼用する場合にも、カバーガラスの枚数を増やすことなくゴースト光の影響を抑え、倍率色収差によるスポットのズレ量を小さく抑えることができる。
【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説明図。
【図２】図１の走査光学系に用いられる回折素子の正面図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図。
【図４】（Ａ）は回折素子が設けられていない場合、（Ｂ）は光軸対称な回折素子が光軸に対して垂直に配置された場合、（Ｃ）は光軸対称な回折素子が光軸に対して傾いて配置された場合の倍率色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図５】（Ａ）は実施例１、（Ｂ）は実施例２、（Ｃ）は実施例３の走査光学系の倍率色収差をそれぞれ示すグラフ。
【符号の説明】
１０半導体レーザー
１４ポリゴンミラー
１６回折素子
Ａ光軸との交点
２０ｆθレンズ
３０補正用レンズ
４０走査対象面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning optical system used for an optical scanning unit such as a laser printer.
[0002]
[Prior art]
The scanning optical system deflects and scans a light beam from a laser light source by a deflector such as a polygon mirror, and forms an image as a spot on a scanning target surface such as a photosensitive drum via a scanning lens such as an fθ lens. The spot on the photosensitive drum scans in the main scanning direction with the rotation of the polygon mirror. At this time, an electrostatic latent image is formed on the surface to be scanned by modulating the laser light on and off.
[0003]
In such a scanning optical system, it is necessary to reduce chromatic aberration of magnification of the optical system in order to suppress a change in drawing performance due to a variation in emission wavelength of the semiconductor laser. In particular, in a multi-beam scanning optical system including a plurality of light sources for forming a plurality of scanning lines in one scan, it is necessary to correct magnification chromatic aberration in order to correct a variation in emission wavelength of each light source. . Generally, chromatic aberration is corrected by combining lenses of a plurality of materials having different dispersions. However, such a configuration has a problem that the number of lenses increases and usable materials are limited.
[0004]
Therefore, a technique for correcting lateral chromatic aberration by combining a refraction-type scanning lens and a diffraction lens has been conventionally known. For example, the optical system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-095145 has a correction element having a diffraction surface formed between a polygon mirror and an fθ lens, and thereby corrects the chromatic aberration of magnification of the fθ lens. This publication also points out that when the polygon mirror is covered with a cover for preventing rotation noise, the correction element can also be used as the cover glass.
[0005]
In an optical system in which the central axis of a light beam incident on a polygon mirror from a light source and the optical axis of a scanning lens make a predetermined angle in the same plane as in the above publication, when the polygon mirror is covered with a cover, It is necessary to provide a cover glass in a portion transmitting the light beam incident on the polygon mirror from the light source and a portion transmitting the reflected light from the polygon mirror to the scanning lens side.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the scanning optical system disclosed in the above-mentioned publication, when the correction element is also used as a cover glass, the correction element is arranged perpendicular to the optical axis of the fθ lens. There is a problem in that a cover glass must be provided between the correction mirror and the polygon mirror, and unnecessary reflected light on the surface of the correction element easily reaches the surface to be scanned as ghost light.
[0007]
On the other hand, if the cover glass, which is the correction element, is inclined with respect to the optical axis of the fθ lens, the two transmission portions can be covered with a single cover glass. Compared with the case perpendicular to the axis, the amount of displacement of the spot due to the chromatic aberration of magnification increases.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art, and increases the number of cover glasses even when a diffraction surface for correcting chromatic aberration of magnification of a scanning lens is provided on a cover glass of a polygon cover. It is an object of the present invention to provide a scanning optical system capable of suppressing the influence of ghost light and suppressing the amount of spot displacement due to chromatic aberration of magnification without causing any problem.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a scanning optical system according to the present invention has a configuration in which a light beam emitted from a light source is deflected by a rotationally driven deflector, and an image is formed on a surface to be scanned by a scanning lens. A diffraction element having a diffraction surface and correcting chromatic aberration of the scanning lens in an optical path between the scanning lens and the target surface is arranged such that a normal at an intersection with the optical axis of the scanning lens is inclined with respect to the optical axis in the main scanning direction. And the amount of addition of the optical path length by the diffractive surface is set so as to be changed asymmetrically in the main scanning direction based on the optical axis.
[0010]
According to the above configuration, at least a part of the asymmetric component of the chromatic aberration correcting action that occurs when the diffractive element is arranged at an angle to the optical axis of the scanning lens is configured such that the change in the additional amount of the optical path length due to the diffractive surface is asymmetric. By doing so, the chromatic aberration of magnification can be suppressed to a small value.
[0011]
The additional amount of the optical path length by the diffractive surface is determined by using the distance Y from the optical axis in the main scanning direction, the n-th order optical path difference function coefficient Pn, and the wavelength λ.
φ (h) = (P ₁ Y + P ₂ Y ² + P ₃ Y ³ + P ₄ Y ⁴ + P ₅ Y ⁵ + P ₆ Y ⁶ +...) × λ
Is represented by an optical path difference function φ (h) defined by When the central axis of the light beam incident on the deflector from the light source and the optical axis of the scanning lens make a predetermined angle in the same plane, the first-order optical path difference function coefficient P ₁ is determined by the following equation. Is satisfied in the direction of approaching the deflector, the condition of P ₁ ≧ 0 is satisfied. When the diffraction element is inclined in a direction to move the end on the light source side away from the deflector, P ₁ < It is desirable to satisfy the condition of 0.
[0012]
Note that the macroscopic shape of the diffraction surface can be an anamorphic surface having a longitudinal rotation axis corresponding to the main scanning direction.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the scanning optical system according to the present invention will be described. The optical system according to the embodiment is used in a laser scanning unit of a laser printer, and scans a scanning target surface such as a photosensitive drum with a laser beam that is ON / OFF modulated according to an input drawing signal, and outputs an electrostatic latent image. Is a scanning optical system. In this specification, the direction in which the spot scans on the surface to be scanned is defined as the main scanning direction, and the direction orthogonal thereto is defined as the sub-scanning direction. The description will be made based on the direction of.
[0014]
In the scanning optical system according to the embodiment, as shown in FIG. 1 which is a plan view in the main scanning direction, a divergent light emitted from a semiconductor laser 10 as a light source is converted into a parallel light beam by a collimating lens 11, and the divergent light is emitted in a sub scanning direction. Then, the light is made incident on a polygon mirror 14 as a deflector via a cylindrical lens 12 having the above power. The laser light reflected and deflected by the reflection surface 14a of the polygon mirror 14 is converged via the fθ lens 20 and the correction lens 30, and forms a spot on the scanning target surface 40 for scanning in the main scanning direction.
[0015]
The cylindrical lens 12 is configured such that the lens surface on the collimator lens 11 side has a positive power only in the sub-scanning direction and the lens surface on the polygon mirror 14 side is a flat surface. The power of the cylindrical lens 12 is determined so that the line image formed by the cylindrical lens 12 is located near the reflection surface 14a of the polygon mirror 14.
[0016]
A noise prevention cover 15 is attached around the polygon mirror 14 as shown by a broken line in FIG. 1, and a diffraction element 16 is attached as a cover glass of the cover 15. The diffraction element 16 has a flat surface 16a on the polygon mirror 14 side, and a diffraction surface for correcting the chromatic aberration of magnification of the fθ lens 20 at a part of the surface 16b on the fθ lens 20 side. It is formed in the center.
[0017]
In the scanning optical system of the embodiment, the central axis Ax0 of the light beam incident on the polygon mirror 14 from the semiconductor laser 10 and the optical axis Ax1 of the fθ lens 20 form a predetermined angle in the same plane (in the main scanning plane). Because of the intersection, the cover 15 needs to be provided with a cover glass for a portion transmitting the light beam incident on the polygon mirror 14 from the semiconductor laser 10 and a portion transmitting the reflected light from the polygon mirror 14 to the fθ lens 20 side. .
[0018]
The diffraction element 16 of the embodiment is arranged such that the normal Ax2 at the intersection A with the optical axis is inclined with respect to the optical axis Ax1 of the fθ lens 20. The diffraction element 16 has a direction in which the end of the diffraction element 16 on the semiconductor laser 10 side approaches the polygon mirror 14 (clockwise direction in the figure) with reference to the case where the normal Ax2 and the optical axis Ax1 coincide. ) So that one diffraction element 16 covers the above two optical paths.
[0019]
The light beam reflected by the polygon mirror 14 enters the fθ lens 20 as substantially parallel light in the main scanning direction and as divergent light in the sub-scanning direction. lens 20 includes a first lens 21 and a second lens 22 arranged from the polygon mirror 14 side. Each of the first lens 21 and the second lens 22 is a lens including only a lens surface that is rotationally symmetric about the optical axis, and the fθ lens 20 has a positive power as a whole.
[0020]
The correction lens 30 is a long lens for correcting the field curvature arranged close to the scanning target surface 40 side, and the lens surface on the fθ lens 20 side has an effective refractive power in the sub-scanning direction. Is an anamorphic surface that gradually decreases from the center to the periphery, and has a strong positive power in the sub-scanning direction. The light beam transmitted through the correction lens 30 becomes convergent light in both the main scanning direction and the sub-scanning direction, and forms a beam spot on the scanning target surface 40.
[0021]
Next, the shape of the diffraction element 16 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a front view of the diffraction element 16 as viewed from the fθ lens 20 side, and FIG. 3 is a cross-sectional view along the line III-III of FIG.
[0022]
As shown in FIGS. 2 and 3, the diffraction element 16 has a non-diffraction region R1 on one side in the longitudinal direction for transmitting a light beam from the semiconductor laser 10 and a diffraction region on the other side for transmitting reflected light from the polygon mirror 14. It is formed as R2. The surface 16a of the diffraction element 16 on the polygon mirror 14 side is a non-diffraction region R1 is a plane, and the diffraction region R2 is a rotationally symmetric aspheric surface. However, since the diffraction region R2 of the surface 16a has a small curvature, it is shown as a plane in FIG. On the other hand, a surface 16b of the diffractive element 16 on the side of the fθ lens 20 is formed such that the non-diffracting region R1 is a plane and the diffraction region R2 is a diffracting surface.
[0023]
The diffractive surface is formed such that the added amount of the optical path length is asymmetrical in the main scanning direction around the intersection with the optical axis. The diffraction surface has a step-like region as shown in FIG. 3, and the boundary of each region is perpendicular to the main scanning direction as shown in FIG. The additional amount of the optical path length due to the diffractive surface changes only in the main scanning direction. At one position in the main scanning direction, the additional amount is constant regardless of the position in the sub-scanning direction. In FIGS. 2 and 3, the number of the step-like regions is smaller than the actual number and the step between the regions is exaggerated more than the actual number in order to facilitate understanding. As shown in FIG. 3, the orbicular zone is a plane perpendicular to the normal Ax2 at the intersection A with the optical axis, and the lowest at the intersection A with the optical axis in a stepwise manner (close to the polygon mirror 14). ), And is processed so as to gradually increase toward the periphery (far from the polygon mirror 14), and the diffraction surface is concave as a whole. Note that the diffraction element 16 has no power near the intersection A with the optical axis, and the macroscopic shape of the commentary surface is a toric surface.
[0024]
Next, three examples of specific numerical examples of the above-described scanning optical system will be described.
Prior to the description of the embodiments, the expression form of the diffraction surface will be described. The shape of the diffraction surface can be represented by a sag amount SAG (h) from a tangent plane at an intersection of the optical axis and the diffraction surface at a distance h from the optical axis, and the sag amount SAG (h) is Equation (1).
SAG (h) = X (h) + S (h) (1)
Here, X (h) is a macroscopic shape (base curve) of the diffraction surface, and is expressed as follows.
^{X (h) = h 2 /} [r [1 + √ (1- (κ + 1) h 2 / r 2)]] + A 4 h 4 + A 6 h 6 + A 8 h 8 + A 10 h 10 ... (2)
In the above equation, r is a radius of curvature on the optical axis, κ is a conical coefficient, and A ₄ , A ₆ , A ₈ , and A ₁₀ are fourth-, sixth-, eighth-, and tenth-order aspherical coefficients, respectively.
[0025]
On the other hand, the optical path length addition amount φ (h) that the diffraction surface should have is a distance Y in the main scanning direction from the optical axis at a height h from the optical axis, an nth-order optical path difference function coefficient Pn, and a wavelength λ is obtained by the following equation (3).
φ (h) = (P ₁ Y + P ₂ Y ² + P ₃ Y ³ + P ₄ Y ⁴ + P ₅ Y ⁵ + P ₆ Y ⁶ +...) × λ (3)
S (Y) in Expression (1) is a value obtained by the following Expression (4) based on the optical path length addition amount φ (Y), and represents a step-like sag amount that changes in the main scanning direction. .
S (h) = [| MOD (Δφ (h) + C, −1) | −C] λ / [n−1] (4)
Here, MOD (X, Y) is a function that gives a remainder obtained by dividing X by Y, C is a constant that sets the phase of the boundary position of the annular zone, and takes an arbitrary value from 0 to 1 (the following implementation). In the example, C = 0.5).
The number N of each annular zone on the diffractive lens surface is represented by the following equation (5), with the area on the optical axis being 0. INT (X) is a function that gives the integer part of X.
N = INT (| Δφ (h) / λ + C |) (5)
[0026]
Embodiment 1
Table 1 shows the configuration of the scanning optical system of the first embodiment on the scanning target surface 40 side with respect to the cylindrical lens 12. Symbol f in the table is the focal length of the scanning optical system in the main scanning direction, ry is the radius of curvature of each optical element in the main scanning direction, rz is the radius of curvature in the sub-scanning direction (omitted in the case of a rotationally symmetric surface), d Is the distance between the surfaces on the optical axis, and n is the refractive index at a wavelength of 780 nm.
[0027]
In the table, the first surface and the second surface correspond to the cylindrical lens 12, the third surface corresponds to the mirror surface of the polygon mirror 14, the fourth and fifth surfaces correspond to the diffraction element 16, and the sixth and seventh surfaces correspond to the fθ lens 20. The first lens 21, the eighth and ninth surfaces indicate the second lens 22, and the tenth and eleventh surfaces indicate the correction lens 30. The diffraction element 16 is arranged such that the normal Ax2 at the intersection A with the optical axis is inclined by 10 degrees with respect to the optical axis Ax1 of the fθ lens 20 toward the side where the semiconductor laser 10 is arranged.
[0028]
[Table 1]

[0029]
The first surface is a cylindrical surface, the second surface, the third surface, and the eighth surface are flat surfaces, and the ninth and eleventh surfaces are spherical surfaces. The fourth, sixth, and seventh surfaces are rotationally symmetric aspheric surfaces, and their shapes are represented by the above equation (2). The conic coefficients and aspheric coefficients of these aspheric surfaces are shown in Table 2 below.
[0030]
[Table 2]

[0031]
The fifth surface is a diffraction surface. The diffractive surface is configured by forming a diffractive lens structure represented by a predetermined optical path difference function using the toric surface as a base curve. The toric surface that defines the base curve of the diffraction surface is a non-circular curve whose shape in the main scanning direction is represented by the above equation (2), and this curve is rotated about a rotation axis parallel to the main scanning direction. Defined as a trajectory. The conic coefficients, aspheric coefficients, and optical path difference function coefficients that define the diffractive lens structure that define the non-arc curve are shown in Table 3 below. The focal length of the diffraction component of the diffraction surface at the design wavelength of 780 nm is 1141.1 mm.
[0032]
[Table 3]

[0033]
The tenth surface is an aspheric surface having no rotation axis whose curvature radius in the sub-scanning direction at a position away from the optical axis is set independently of the cross-sectional shape in the main scanning direction, and the cross-sectional shape in the main scanning direction is above formula (2), the main scanning direction sub-scanning direction at each position h of the radius of curvature rz (h) is a sub-scanning direction of the radius of curvature on the optical axis as rz _0, the following equation (6) Desired.
_{_{_{^{1 / rz (h) = (}}}} 1 / rz 0) + B 1 h + B 2 h 2 + B 3 h 3 + B 4 h 4 + B 5 h 5 + B 6 h 6 + B 7 h 7 + B 8 h 8 ... (6)
The coefficients defining the tenth surface are shown in Table 4 below.
[0034]
[Table 4]

[0035]
Subsequently, the relationship between the arrangement of the diffraction element 16 and the chromatic aberration of magnification in the above-described scanning optical system will be described with reference to FIGS. Each graph shows the image height of the spot formed on the scan target surface by the 790 nm laser light in the main scanning direction with reference to the spot position formed on the scan target surface by the 780 nm laser light which is the design wavelength. (Scanning position in the main scanning direction). In each figure, the horizontal axis indicates the amount of chromatic aberration of magnification (unit: mm), and the vertical axis indicates the image height (unit: mm). The image height is denoted by 0 on the optical axis, minus on the side where the semiconductor laser 10 is provided, and plus on the opposite side.
[0036]
When no diffraction element for correcting chromatic aberration is provided, the chromatic aberration of magnification monotonically increases from a negative image height to a positive image height, as shown in FIG. To correct this, if a diffractive element in which the added amount of the optical path length changes symmetrically with respect to the optical axis is arranged perpendicularly to the optical axis Ax1, as shown in FIG. Become. However, when used as a cover glass, a cover glass to which a light beam from the semiconductor laser 10 is incident separately from the diffractive element 16 is required, and is easily affected by ghost.
[0037]
Here, the diffraction element is rotated 10 degrees clockwise in FIG. 1 from the state of the vertical arrangement. In this case, the light beam from the semiconductor laser 10 and the reflected light from the polygon mirror 14 can be transmitted by one diffraction element. However, since one end of the diffraction element 16 is close to the polygon mirror 14 and the other end is separated from the polygon mirror 14, a light beam having the same deflection angle crosses the optical axis on the separated side. The light enters the step region far from A, and enters the step region near the intersection A with the optical axis on the near side. Since the effect of correcting the chromatic aberration of magnification of the diffraction element in which the added amount of the optical path length changes symmetrically with respect to the optical axis gradually increases according to the distance from the intersection A with the optical axis, the chromatic aberration is excessively corrected on the side away from the optical axis. However, the correction is insufficient on the side that is close. Therefore, the chromatic aberration of magnification has a bow shape as shown in FIG. In this state, although the on-axis aberration is zero, the amount of aberration at the peripheral portion is considerably large. Compared to FIG. 4A, it can be understood that the correction is excessive at the plus image height and insufficient at the minus image height.
[0038]
FIG. 5A shows lateral chromatic aberration in the arrangement of the first embodiment. By including the odd-order term of the optical path difference function coefficient to make the additional amount of the optical path length by the diffractive surface asymmetric with respect to the intersection with the optical axis, the asymmetric component of the chromatic aberration correction effect due to the oblique arrangement is canceled out, At each image height, the occurrence of chromatic aberration of magnification can be reduced. In the first embodiment, the diffraction element 16 is tilted in a direction in which the end on the semiconductor laser 10 side approaches the polygon mirror 14, and the condition of P ₁ = 0 is satisfied when P ₁ = 0.
[0039]
Embodiment 2
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment is configured by changing the diffraction element 16 from the first embodiment, and the other configuration of the optical system is the same as that of the first embodiment. Tables 5 and 6 below show the surface 16a (the fourth surface in Table 1) of the diffractive element 16 and the surface 16b (the surface in Table 1) of the fθ lens 20 of the diffractive element 16 in the scanning optical system according to the second embodiment, respectively. The coefficients defining the fifth surface are shown below. That is, Table 5 shows the on-axis radius of curvature r, the conic coefficient κ, and each aspheric coefficient An that define the fourth surface 16a that is a rotationally symmetric aspheric surface. Table 6 shows the main scanning and sub-scanning radii of curvature ry and rz that define the toric surface, which is the base curve of the diffractive surface, the conic coefficient κ that defines the non-circular curve, each aspheric coefficient An, And an optical path difference function coefficient that defines the lens structure.
[0040]
Similar to the first embodiment, the diffraction element 16 according to the second embodiment is configured such that the normal Ax2 at the intersection A with the optical axis is tilted by 10 degrees with respect to the optical axis Ax1 of the fθ lens 20 toward the side where the semiconductor laser 10 is disposed. Are located in The focal length of the diffraction component of the diffraction surface at the design wavelength of 780 nm is 1133.0 mm.
[0041]
[Table 5]

[0042]
[Table 6]

[0043]
FIG. 5B shows lateral chromatic aberration in the arrangement of the second embodiment. As in the first embodiment, it is possible to suppress the occurrence of the chromatic aberration of magnification. In the second embodiment, the diffraction element 16 is tilted in a direction in which the end on the semiconductor laser 10 side approaches the polygon mirror 14, and P ₁ = 1.06190 satisfies the condition of P ₁ ≧ 0.
[0044]
Embodiment 3
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment is configured by changing the diffraction element 16 from the first embodiment, and the other configuration of the optical system is the same as that of the first embodiment. Tables 7 and 8 below show the surface 16a (the fourth surface in Table 1) of the diffractive element 16 and the surface 16b (the surface in Table 1) of the fθ lens 20 of the diffraction element 16 in the scanning optical system according to the third embodiment, respectively. The coefficients defining the fifth surface are shown below.
[0045]
The diffractive element 16 of the third embodiment is different from the first and second embodiments in that the normal Ax2 at the intersection A with the optical axis is opposite to the optical axis Ax1 of the fθ lens 20 on the side where the semiconductor laser 10 is arranged. It is arranged so as to be inclined 10 degrees to the side. The focal length of the diffraction component of the diffraction surface at the design wavelength of 780 nm is 984.2 mm.
[0046]
[Table 7]

[0047]
[Table 8]

[0048]
FIG. 5C illustrates lateral chromatic aberration in the arrangement of the third embodiment. As in the first embodiment, it is possible to suppress the occurrence of the chromatic aberration of magnification. In Example 3, the diffraction element 16 is tilted in the direction of separating the ends of the semiconductor laser 10 side from the polygon mirror _14, which satisfies the condition of _P 1 <0 at P 1 = -1.40693 .
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the chromatic aberration of magnification is reduced even when the diffraction element for correcting the chromatic aberration of magnification of the scanning lens is arranged inclined in the main scanning direction with respect to the optical axis. I can do it. Therefore, even when the cover glass of the polygon cover is also used as a diffraction element, the effect of ghost light can be suppressed without increasing the number of cover glasses, and the amount of spot displacement due to chromatic aberration of magnification can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a scanning optical system according to an embodiment of the present invention in a main scanning direction.
FIG. 2 is a front view of a diffraction element used in the scanning optical system of FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 2;
4A shows a case where a diffraction element is not provided, FIG. 4B shows a case where a diffraction element symmetric with respect to an optical axis is arranged perpendicular to an optical axis, and FIG. 9 is a graph showing chromatic aberration of magnification in a case where is disposed obliquely to the optical axis.
5A is a graph illustrating Example 1, FIG. 5B is a graph illustrating Example 2, and FIG. 5C is a graph illustrating chromatic aberration of magnification of the scanning optical system according to Example 3.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 semiconductor laser 14 polygon mirror 16 diffractive element A intersection point 20 with optical axis fθ lens 30 correction lens 40 scan target surface

Claims

In a scanning optical system, a light beam emitted from a light source is deflected by a rotationally driven deflector, and an image is formed on a surface to be scanned by a scanning lens.
A diffractive element having a diffractive surface and correcting chromatic aberration of the scanning lens is disposed in an optical path between the deflector and the scanning target surface, and the diffractive element has an intersection with an optical axis of the scanning lens. Is disposed so as to be inclined with respect to the optical axis in the main scanning direction, and the additional amount of the optical path length due to the diffraction surface changes asymmetrically with respect to the intersection with the optical axis in the main scanning direction. Characteristic scanning optical system.

The scanning optical system according to claim 1, wherein a central axis of a light beam incident on the deflector from the light source and an optical axis of the scanning lens form a predetermined angle in the same plane.

Using the distance Y in the main scanning direction from the optical axis, the nth-order optical path difference function coefficient Pn, and the wavelength λ,
φ (h) = (P ₁ Y + P ₂ Y ² + P ₃ Y ³ + P ₄ Y ⁴ + P ₅ Y ⁵ + P ₆ Y ⁶ +...) × λ
When the diffractive element is inclined in a direction to bring the end on the light source side closer to the deflector, the condition of P ₁ ≧ 0 is satisfied, as represented by an optical path difference function φ (h) defined by 3. The scanning optical system according to claim 2, wherein when the diffractive element is inclined in a direction in which the end on the light source side is separated from the deflector, a condition of P ₁ <0 is satisfied.

The scanning optical system according to claim 1, wherein the macroscopic shape of the diffraction surface is an anamorphic surface having a longitudinal rotation axis corresponding to a main scanning direction.